[发明专利]一种液体橡胶剥离鳞片石墨制备石墨烯的方法

说明书

本发明为一种液体橡胶剥离鳞片石墨制备石墨烯的方法。该方法将不同种类液体橡胶和鳞片石墨混合在一起，利用盘磨机、胶体磨、剥片机以及振动磨等研磨设备的机械剪切力，结合润湿剂强化润湿鳞片石墨表面，促进其快速剥离成为单层、少层结构的石墨烯胶乳。本发明得到石墨烯含量可达30％以上的石墨烯复合胶乳块，实施过程中，不使用强酸、强碱、强氧化剂以及剧毒性物质，符合环境、经济绿色环保发展的需求。

技术领域

本发明涉及一种利用机械的剪切力、摩擦力驱动液体橡胶分子柔性剥离鳞片石墨晶体，制备高品质石墨烯的方法，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。

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，仅能满足高科技领域的研发需求，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，甚至电化学反应，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。如ZL 201710421098将鳞片石墨经球磨、浮选、氧化、还原和干燥处理、制得石墨烯。ZL 201310194548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。ZL 201110428499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ZL201410196609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。ZL 201310185893，CN105948026A将石墨、磨料和酸置于研磨设备中，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。