[发明专利]一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置及方法

说明书

本发明公开了一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置及方法，属于石墨烯的制备技术领域。该宏量制备装置包括第一分散釜、活化反应器、第一过滤洗涤塔、第二分散釜、反应釜、第二过滤洗涤塔、第三分散釜、干燥塔、第一储罐和第二储罐，第一分散釜、活化反应器、第一过滤洗涤塔、第二分散釜、反应釜、第二过滤洗涤塔、第三分散釜和干燥塔依次连接，第一过滤洗涤塔、第一储罐和第一分散釜依次连接，第二过滤洗涤塔、第二储罐和第二分散釜依次连接。本发明具有结构简单紧凑，设计合理，连续化程度高且设备投资少的优点，能够高效制备羧基功能化石墨烯，降低生产成本。

技术领域

本发明属于石墨烯的制备技术领域，更具体地说，涉及一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置及方法。

背景技术

石墨烯是一种新型二维碳纳米材料，具有独特的单原子层二维晶体结构、高比表面积、高的强度、电导率、热导率等独特性能，被誉为“改变21世纪的神奇材料”。但纯石墨烯由于其比表面积大、表面能高的特点，非常容易在溶剂和基体中团聚，致使其本征优良特征的发挥受到极大限制，而功能化石墨烯在保留石墨烯特性的同时，负载官能化基团，赋予其良好的相容性及可调的化学、电学等性能，有效地解决石墨烯材料使用困难的问题。

氧化石墨烯是将石墨进行氧化后剥离得到的，具有很好的水溶性，根据氧化石墨烯的Lerf-Klinowski模型[Chem.Soc.ReV.2010,39,228.]：氧化石墨烯层面上修饰有羟基和环氧基团，而羧基主要在层边缘处。基于氧化石墨烯的可溶性和化学反应活性，氧化石墨烯层面和边缘处均可被功能化。羧基改性的氧化石墨烯在功能化氧化石墨烯的制备中占有重要的地位，利用氧化石墨烯表面的活泼羧基，通过酰胺化或酯化反应，可使各种有机小分子、高分子、生物大分子以及含有活泼基团的功能材料被共价结合到氧化石墨烯上。

有文献首次报道了利用氯乙酸对氧化石墨烯进行羧基功能化，以活化氧化石墨烯表面的环氧基与羟基，使其转变成为羧基，从而提高其溶解性和生物学性能(XiaomingSun,Zhuang Liu,Kevin Welsher,Joshua Tucker Robinson,Andrew Goodwin,SasaZaric,Hongjie Dai.Nano-Graphene Oxide for Cellular Imaging and DrugDelivery.Nano Res.2008,1:203-212.2.)。公开日为2012年5月2日的中国专利201110265734.9“可控合成羧基化氧化石墨烯的方法及制得的纳米材料”公开了一种合成羧基化氧化石墨烯的方法，该方法采用偶氮类引发剂对氧化石墨烯作用，得到氰基改性氧化石墨烯，然后再将其溶于碱的醇溶液中反应，获得羧基化氧化石墨烯。公开日为2015年3月25日的中国专利201310425628.1公开了一种羧基功能化的石墨烯材料及其制备方法，该方法利用重氮化反应对石墨烯进行功能化，得到羧基化的石墨烯材料。公开日为2015年3月25日的中国专利201410647838.X公开了一种羧基化石墨烯的制备方法，该方法先制备氧化石墨烯悬浮液，然后还原制备石墨烯浑浊液，然后制备羧基化石墨烯的前驱体浑浊液，最后经过酸化前驱体后得到羧基化石墨烯。

目前羧基化石墨烯存在的问题是：制备工艺过程复杂，所得到羧基化石墨烯其羧基在片层中或边缘，反应活性较低，位阻效应较大，尤其是在进行原位聚合改性时，只有很少一部分羧基能够以化学键的形式与基体材料成键分散于产物中，不能较好分散，甚至会出现阻聚现象。因此，需要寻求一种高效的合成羧基化石墨烯的工艺。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的之一在于提供一种工艺流程简单、绿色环保无污染、生产效率高、布局紧凑的羧基功能化石墨烯宏量制备装置，本发明的目的之二在于提供采用该宏量制备装置的制备方法，制备的羧基功能化石墨烯羧基含量高、反应活性高。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：