[发明专利]一种基于拉伸流变剥离石墨烯的方法及石墨烯的应用

说明书

本发明提出一种基于拉伸流变剥离石墨烯的方法及石墨烯的应用，通过将石墨和粘性物质一起加入自行设计的拉伸机构中，采用腔体内的凸轮转子在运转时使机筒内的腔室体积往复缩小增大，在腔室内将石墨和粘性物质被凸轮和簧片的往复压缩、拉伸，石墨混合物在粘性添加剂的粘接作用下，间接被粘性的添加剂拉伸、剪切剥离得到石墨烯前驱体，有效避免了过大剪切力对石墨烯造成的晶格损坏。本发明公开的方案制备工艺简单，原料来源广泛，无污染，成本低，制备出的石墨烯品质高，易储存输运，易于实现规模化工业生产。

技术领域

本发明涉及材料加工领域，具体涉及一种基于拉伸流变剥离石墨烯的方法及石墨烯的应用。

背景技术

石墨烯是由一层碳原子组成的平面碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六方的晶格组成。石墨烯中的碳原子之间由σ键连接，赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。而且，在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。在光学方面，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。石墨烯具有奇特的力学、光学和电学性质，石墨烯拥有十分广阔的发展前景。

石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、氧化插层再还原法、液相剥离法、机械剥离法。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；氧化插层再还原法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。相比之下，机械物理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。

机械物理剥离法制备石墨烯方法简单，制备过程环保无污染，生产成本较为低廉，在工业生产中备受青睐。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。

中国发明专利申请号201410286173.4公开了一种石墨烯的制备方法，将氧化石墨用机械剪切或球磨的方式破碎成小碎片，通过气流碰撞研磨剥离得到石墨烯。该发明基于小碎片氧化石墨在低氢浓度下和低温的还原和剥离，提供了一种安全、低成本氢还原制备石墨烯的方法。然而这种强力的碰撞损伤了石墨烯的层结构，且得到的石墨烯尺寸面积小。

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。

常规球磨、搅拌球磨、研磨等方法中由于研磨对石墨局部施加压力，对剥离的石墨产生巨大的冲击力，这种冲击力会使石墨烯层产生结构缺陷，极易造成石墨烯层结构晶格缺陷，降低剥离后石墨烯的尺寸，使得制得的石墨烯产品晶体尺寸小，难以获得大尺寸高质量石墨烯；另外，研磨介质的强大压力会导致挤压冲击会造成石墨烯的再重叠，反而会导致剥离效果降低，造成研磨时间长、成本非常高昂，难以进行大规模产业化生产。

拉伸机是一种具有混炼时间短，生产效率高，操作容易，减少配合剂的损失，改善劳动条件等优点的生产设备，广泛地应用于新材料的研发生产中，不同于常规球磨、搅拌球磨、研磨等方法，利用拉伸机也可用于制备石墨烯。目前，中国专利公开号105948028A公开了一种拉伸机剥离制备石墨烯前驱体的方法及石墨烯前驱体，通过将石墨在过量插层剂的水分散液中长时间浸润处理后，利用糖类物质为粘接剥离载体，通过拉伸机的剪切和拉伸粘性糖类物质，使石墨在糖类物质的粘接作用下，间接被粘性的糖类物质拉伸、剪切剥离得到石墨烯前驱体。但方案中的拉伸设备结构没有特殊性，主要利用糖类物质为粘接剥离载体，剥离获得的石墨烯尺寸均一性以及剥离效率受限。

发明内容