[发明专利]一种石墨烯纳米颗粒复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种纳米颗粒/石墨烯复合材料及其制备方法。针对氧化石墨烯表面含氧官能团利用，本发明目的在于提供一种纳米颗粒/石墨烯复合材料及其制备方法，充分利用氧化石墨烯表面的含氧官能团，即对氧化石墨烯表面的羟基和环氧基同时改性，制备得到的纳米颗粒/石墨烯复合材料能广泛应用在复合材料和防腐涂层材料等领域。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种纳米颗粒/石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由sp²杂化碳原子组成的二维晶体材料，为复式六角晶格。氧化石墨烯是石墨烯功能化的衍生物。氧化石墨烯的结构与石墨烯类似，接近平面并呈现二维网状结构，与石墨烯的不同之处是，氧化石墨烯是一种在表面和边缘上由羟基、环氧基和羧基等含氧官能团组成的单分子碳层的物质。充足的含氧基团不仅使氧化石墨烯和有机聚合物很好的兼容，而且使它更易功能化。

然而，由于氧化石墨烯内在的范德华力相互作用，展现出密排堆叠结构，引起分布不均和难于剥离的问题。为了解决氧化石墨烯的团聚难题，可将纳米颗粒接枝到氧化石墨烯表面，利用其位阻作用，防止氧化石墨烯片层间的团聚。因此，用无机纳米材料修饰石墨烯薄片是一种简单、有效的方法。

有专利公开了一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法，首先制备氧化石墨烯，并制备二氧化硅纳米颗粒，然后用硅烷偶联剂改性二氧化硅纳米颗粒，将氧化石墨烯加入到改性过的二氧化硅溶液中，最后加入还原剂，从而制备出石墨烯完全包覆二氧化硅的复合材料。但是该方法只利用了氧化石墨烯表面的环氧基，氧化石墨烯的羟基并没有利用。

发明内容

针对氧化石墨烯表面含氧官能团利用，本发明目的在于提供一种纳米颗粒/石墨烯复合材料及其制备方法，充分利用氧化石墨烯表面的含氧官能团，即对氧化石墨烯表面的羟基和环氧基同时改性，制备得到的纳米颗粒/石墨烯复合材料能广泛应用在复合材料和防腐涂层材料等领域。

本发明的具体内容是：一种纳米颗粒/石墨烯复合材料及其制备方法，其特征在于，其制备方法包括下列步骤：

(1)以天然鳞片石墨为原料，利用改进Hummers法制备氧化石墨烯；

(2)将纳米颗粒分散到体积分数为2％的含氨基硅烷偶联剂的乙醇溶液中，超声2h，水浴90℃下滴加去离子水，反应10h，得到的产物用无水乙醇和去离子水分别洗涤三次，冷冻干燥后得到功能化纳米颗粒；

(3)将氧化石墨烯分散到体积分数为2％的含环氧基硅烷偶联剂的乙醇溶液中，超声2h，水浴90℃下滴加去离子水，反应10h，得到的产物用无水乙醇和去离子水分别洗涤三次，冷冻干燥后得到功能化氧化石墨烯；

(4)将功能化氧化石墨烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，超声2h，加入功能化纳米颗粒，超声2h，油浴90℃下反应12h，得到混合溶液；

(5)在混合溶液中滴入少量的还原剂溶液，得到的产物用无水乙醇和去离子水分别洗涤三次，冷冻干燥后即得到纳米颗粒/石墨烯复合材料。

本发明原理是：制备的氧化石墨烯片层较薄，表面有大量的含氧官能团，表面为环氧基和羟基，边缘为羧基；利用含氨基硅烷偶联剂和含环氧基硅烷偶联剂将纳米颗粒接枝到氧化石墨烯表面；通过水合肼等还原剂，将氧化石墨烯还原，以去除氧化石墨烯表面残余的含氧官能团，最终得到石墨烯/纳米颗粒复合材料。

在上述步骤基础上，步骤(2)中所述的含氨基硅烷偶联剂选用3-氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种。