[发明专利]一种机械驱动聚合物剥离膨胀石墨制备石墨烯的方法

说明书

本发明为一种机械驱动聚合物剥离膨胀石墨制备石墨烯的方法。该方法包括如下步骤：(1)可膨胀石墨的膨胀与筛分；(2)聚合物剥离膨胀石墨制备石墨烯复合聚合物；(3)聚合物剥离石墨烯混合块体的溶解；(4)溶解液中石墨烯的提纯；(5)石墨烯的分离与洗涤，得到高品质石墨烯。本发明的工艺流程简便、条件易于控制和操作，设备投资省、占地面积小，是大规模、低成本制备的石墨烯极具发展潜力的方法。

技术领域

本发明涉及一种利用机械驱动聚合物分子剥离膨胀石墨制备石墨烯的方法，属于新型纳米材料制备领域。

背景技术

石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道连接形成的六边形蜂窝结构的单层，及2-10层的少层碳原子构成的平面晶化薄膜。单层石墨烯的理论厚度仅为0.35nm，比表面积达2.63×10³m²/g，杨氏模量高达～1.0TPa，强度130GPa，为钢的100倍，是已知强度最高的材料。石墨烯的导热系数达～5000W/mK，透光率高达～97.7％，电子迁移率为2×10⁵cm²/vs。石墨烯独特的2D结构，优异的力学、电学、光学、热学、磁学性能，及其可以与金属、金属氧化物、金属化合物，有机高分子等实现多种形式的纳米复合，制成功能独特、性能优异的新材料。并在超级电容器、锂离子电池、燃料电池、质子交换膜燃料电池和太阳能电池等化学电源，光电子元器件、传感器、能量转换和储存材料，多相催化材料、高性能复合材料、环境功能材料、医用及生物材料等众多领域中，均展示出独特优势和极佳的应用前景。

国内、外发表的大量研究文献表明，石墨烯的制备可以分为自下而上的“构筑法”和自上而下的“剥离法”两类。构筑法是利用各种含碳的物质，在激光、微波、等离子体等高能作用下热解或催化反应，在基体表面沉积或析出碳原子，经诱导成核、生长、晶化或重排，形成单层，或几层厚度的石墨烯纳米片，该方法对设备要求高、工艺复杂，产量极低，仅能满足高科技研发及特种需求，难以大规模工业化应用。

自上而下的“剥离法”是以鳞片石墨为原料，利用各种外力，在不同类型的介质中通过高速分散，或化学作用，并借助超声波、微波、高压，甚至电极反应，使鳞片石墨的晶体沿解理面不断剥离，最终成为单层或少层石墨烯的制备方法。国内相关专利，如ZL201710421098将鳞片石墨经球磨、浮选、氧化、还原和干燥处理、制得石墨烯。ZL201310194548将石墨粉末和一定比例萘等插层剂在有机溶剂中均匀混合，再利用超声波，水浴中剥离一定时间，离心分离，过滤后即获得石墨烯。CN108383114A将石墨、具有π-π共轭结构的离子液体和常规离子液体在150～200℃下反应超过60min后，分离产物即得石墨烯片。常规离子液体为1-丁基3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-己基3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基3-甲基咪唑六氟磷酸盐或1-辛基3-甲基咪唑六氟磷酸盐等，具有π-π共轭结构的离子液体为含芘环的共轭离子液体、含蒽环的共轭离子液体或含萘环的共轭离子液体。ZL201110428499将石墨粉加入至少两种沸点小于或者等于100℃的有机溶剂中，混合液放入超声机内，进行水浴超声后，离心机分离，用移液管取离心分离后的上层液体，得到在混合溶剂中均匀分散的石墨烯分散液。通ZL 201410196609将离子液与石墨晶体共磨、结合微波、超声和热处理，经高速离心分离得到石墨烯。CN107879332A将石墨与剥离试剂加入超声球磨设备中，在超声波环境下球磨2～96h，混合物经过分离、洗涤、干燥得到石墨烯粉末。ZL201310185893，CN105948026A将石墨、磨料和酸一同置于研磨设备中，经过研磨获得混合物，从混合物中分离出硫酸和磨料后，对剩余物进行洗涤和干燥，得到石墨烯。CN106698386A将石墨原料均匀分散在高分子和有机溶剂介质体系中，将混合物进行剪切，实现剥离石墨，获得复合浆料，将复合浆料进行分离，即可获得石墨烯粉体。CN109319768A将鳞片石墨、磨料、分散剂与去离子水置于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和羧甲基纤维素(CMC)中的一种或者两者的混合物共同研磨，得到石墨悬浊液，加入乙醇、或辛醇插层剂，搅拌和超声处理，得到石墨烯。上述石墨烯的制备均以鳞片结构石墨为原料，通过各种物理方法或物理化学方法对其进行剥离后，获得石墨烯。