[发明专利]一种干态研磨剥离制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及通过干态研磨的方法制备出高纯度的石墨烯材料，特别涉及利用不同石墨类型的不同物理化学性能以解决在干态法制备过程出现石墨烯硬团聚的问题。

背景技术

石墨烯由于其本身特有的结构，在很多方面具有非常优异的性质，如电子性质，力学性质，机械性能，光学性质，热学性质等，它被称为未来材料之星。石墨烯是目前世界上发现的最薄的材料，单层厚度只有0.3354nm，但其比表面积高达2965m2/g。石墨烯也是目前世界上力学强度最高的材料，其弹性模量高达1TPa，拉伸强度高达180GPa，断裂强度达到125GPa。此外，单层悬浮石墨烯的室温热传导率可达到3000 ～ 5000W/(m·K)，电导率为2000S/cm。因此，石墨烯在复合材料、能量储存、传感器、光电材料和催化剂载体等方面有着广泛的应用前景。

目前制备石墨烯的方法主要有物理剥离和化学合成两大类。机械剥离是物理法制备石墨烯的重要手段，主要包括湿法和干法两种。目前在石墨烯的制备研究过程中，大多数人都将焦点聚集在了湿法研究上，已发表的关于机械剥离制备石墨烯的专利主要以湿法制备为主。但湿法制备石墨烯存在一定的问题： 湿法制备石墨烯过程中需要使用大量的助剂，容易造成石墨烯的纯度较低； 湿法制备过程中由于颗粒间的相对碰撞概率减小，导致剥离效率较低； 湿法制备过程中需要大量使用化学药品和溶剂，容易污染环境； 采用湿法制备石墨烯后需要进行干燥处理，过程复杂，且能耗较大，成本高。干态法制备石墨烯不存在上述问题，但制备过程中，由于没有溶液和分散剂进行分散，在制备过程中容易造成团聚，导致制备的石墨烯性能较差。目前有部分专利研究了干态法制备石墨烯。

中国专利发明申请号201410515440.0提出了一种石墨烯纳米片及其制备方法，该发明主要是通过将石墨与固态高聚物混合研磨后，经高温热处理，将高聚物分解得到分散性较好的石墨烯纳米片。

中国专利发明申请号201310641974.3提出了一种聚合物-石墨烯混合物的制备方法，该发明主要是首先通过将石墨浸泡于溶解有高聚物的溶剂中，制得高聚物-石墨混合物，然后对高聚物-石墨混合物进行研磨，得到聚合物-石墨烯混合物。

中国专利发明申请号201210202629.5提出了一种石墨烯或氧化石墨烯的制备方法，该发明采用磁性钢针为研磨体，在塑料、陶瓷、高分子材料、奥氏体不锈钢容器外施加一变化磁场，对石墨进行干态研磨。

中国专利发明申请号201010179119.1提出了一种高效率低成本机械剥离制备石墨烯或氧化石墨烯的方法，该发明主要是通过在机械剥离过程中加入其它颗粒物，以促进颗粒间的相互碰撞，提高机械剥离效率。

本发明利用不同石墨类型间的物理化学性质差异，用不同类型的石墨进行混合研磨，以减少石墨烯颗粒之间的相互团聚，得到分散性较的石墨烯。而且在研磨过程中加入聚二甲基硅氧烷对石墨烯结构进行保护，并进一步促进石墨烯的分散。

发明内容

针对目前干法制备石墨烯过程中存在的容易发生团聚的问题，以及引入过多杂志的缺陷，本发明利用不同石墨类型间的硬度、可塑性、润滑性等物理化学性质差异，将致密结晶状石墨、鳞片石墨、隐晶质石墨按不同质量比混合研磨，并在研磨的过程中加入聚二甲基硅氧烷进一步促进石墨烯的分散，采取如下技术方案：

按一定质量比称取密结晶状石墨、鳞片石墨、隐晶质石墨，在酸溶液中进行浸泡0-2h，然后将石墨过滤，并用去离子水进行清洗3-5次，将清洗后的石墨在90℃进行干燥；

按比例称取一定量的聚二甲基硅氧烷溶解于溶剂中，然后将不同类型的石墨按一定比例混合倒入溶液中，浸泡1-3h，过滤、干燥，得到石墨-聚二甲基硅氧烷混合物；

将石墨-聚二甲基硅氧烷混合物在机械剥离设备中进行剥离，然后对剥离产品进行过筛处理，得到尺寸均一的石墨烯。

优选地，所述致密结晶状石墨结构致密，硬度为3-5，可塑性和润滑性较差。

优选地，所述鳞片石墨结构疏松，硬度为1-2，可塑性和润滑性较好。

优选地所述隐晶质石墨致密度、可塑性、润滑性介于致密结晶状石墨和鳞片石墨之间，硬度为2-3。

优选地，所述的溶剂为乙酸丁酯、碳酸二乙酯、DBE、甲苯、碳酸甲乙酯、异丙醇、丁基溶纤剂醋酸酯、碳酸丙烯酯、DMSO、丁二酸二甲酯、NMP、二甲苯、邻苯二甲酸二丁酯、碳酸二甲酯及碳酸二苯酯中的任一种或两种以上的组合。

优选地，所述致密结晶状石墨、鳞片石墨和隐晶质石墨的质量比为3：1：1。