[发明专利]一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及石墨烯微片的制备方法，特别是涉及一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法。

背景技术

石墨烯理论上讲是专指由单个碳原子组成的片状物质。目前，最简单的方法是通过机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的石墨晶体上剪裁下来。也可以通过膨化、摩擦使石墨的表面产生絮片，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是上述方法获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造稳定的石墨烯片。

先进的石墨烯制备方法主要采取气相沉积法，利用气态碳源在高温下分解后在基体表面上的催化生长制备得到石墨烯，该方法是制备高质量和大面积单层石墨烯的重要方法。但是其生产条件较为苛刻，耗能大，成本高。而且，直接采用气体碳源很大程度上增加了生产的危险性。

国内目前主要采用氧化石墨还原法为制备石墨烯的主要方法，该方法是将石墨进行强氧化处理，得到氧化石墨后，再对其进行剥离制备氧化石墨烯，最后经过还原处理得到石墨烯。中国发明专利200810151807.X将氧化石墨在高真空下以一定升温速率升温至150～600℃,维持恒温0.5～20H,得到氧化石墨烯片。由于在强氧化过程中会严重破坏石墨烯片层的结构，虽然经过还原处理，石墨烯片层的电子共轭结构得到部分恢复，所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存在较大的差距。此外，石墨的氧化过程通常需要大量的强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等，而且还原过程中有需要高温处理或使用水合肼、硼氢化钠等有毒的化学物质，不仅能耗大，效率低，成本高而且污染环境。

机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。为了使石墨层间发生剥离，机械物理剥离法常用的剥离手段有常规球磨、搅拌球磨、研磨等。然而借助磨球对石墨粉体研磨，这种方法由于局部施加压力大，强大的冲击力会使石墨烯产生结构缺陷。中国发明专利申请号201280019582.7公开了一种制备石墨烯的方法，通过研磨、球磨、气流磨等借助离子液体研磨4个小时获得石墨烯。借助离子液促进了石墨的剥离，但采用长时间的研磨获得的石墨烯晶体尺寸小，而且借助离子液会使石墨烯层晶格受到影响。

实际上，单层石墨烯的制备目前还停留在以克为单位的少量制备上，大规模工业化生产还没有人能做到。但同时，石墨烯优异的性能急需在复合材料、润滑材料、涂料、污水处理等领域大量应用，而现有技术难以满足这种大规模的需求。因此以石墨烯为单元的石墨烯微片成为石墨烯由研究向应用进入的最佳选择。石墨烯微片，即为多层石墨烯结构，但石墨烯的特性，比如导电、导热、透光、柔软性等得到很好保持，可以作为一种工业原材料广泛地添加到现有的各种基础材料中，对现有材料的性能进行改进。为了得到石墨烯微片，中国发明专利申请号201310579504.9公开了一种高比表面积、尺寸可控的石墨烯微片制备方法，该方法以大粒径可膨胀石墨为原料，高温下制备高膨胀倍率膨胀石墨；以有机物为插层物，共混插入膨胀石墨片层中，在一定氛围下高温燃烧，膨胀剥离获得一定尺寸的石墨烯微片。然而，在氧化石墨的热膨胀过程中，需要较高的负压环境来实现氧化石墨的成功膨胀，其条件较苛刻，对设备的要求极高，无法连续生产，难以放大，制约石墨烯微片的发展。

石墨烯微片由于其拥有的优良特性，其应用领域非常广阔，譬如提高塑胶的导热及散热性能，塑胶导电及抗静电改性，增强塑胶的强度，和改善塑胶的耐磨、润滑性能及耐腐蚀性等。由于具有纳米厚度，容易与其它材料如聚合物材料均匀复合，并形成良好的复合界面，石墨烯微片可以将石墨烯的高强度、润滑、耐高温以及导电特性带到复合材料当中，从而可以设计、制备高性能复合材料。如石墨烯塑料、石墨烯橡胶、石墨烯导电油墨、石墨烯涂料、石墨烯吸波隐形功能板、石墨烯散热器件、石墨烯功能涂层等都是很好的应用。我们期望在不损伤石墨烯层晶体结构的条件下实现高效剥离石墨来制备石墨烯微片，从而为大规模化应用石墨烯提供技术支撑。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种利用相转变材料剥离制备石墨烯微片的方法。该方法利用相变材料由液体相转变为固体相发生体积收缩形成的微缺陷，在冷冻条件下机械剪切剥离获得石墨烯微片，大幅降低石墨烯微片的成本，使石墨烯微片在橡胶、塑料、涂料、润滑油、污水处理等复合材料可以大量添加使用。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：