[发明专利]一种水分散石墨烯的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种水分散石墨烯的制备方法及其应用，属于石墨烯/聚合物复合材料技术领域。本发明以1‑烯丙氧基‑3‑(4‑壬基苯酚)‑2‑丙醇聚氧乙烯(10)醚硫酸铵的水溶液为电解质，石墨片为阳极、金属棒为阴极，电解剥离石墨片，得到水分散的石墨烯。所得石墨烯在水中的分散性较好，能够与备聚乙烯醇共混制备聚乙烯醇/石墨烯复合材料，提高了聚乙烯醇材料的力学性能和阻燃性能，在纺织、医药工业、食品工业、建筑、化学工业领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于石墨烯/聚合物复合材料技术领域，具体涉及一种水分散石墨烯的制备方法及其应用。

背景技术

聚乙烯醇是一种水溶性的高分子聚合物，其主链上带有大量的羟基，结构规整，具有成膜性好、生物可相容性、生物可降解性、价格低廉等一系列优点，而成为一种广泛应用于纺织、医药工业、食品工业、建筑、木材加工、化学工业等领域且具有巨大发展潜力的水溶性聚合物材料。但是聚乙烯醇极易燃烧，极限氧指数(LOI)仅为19％，同时随着材料科学的发展，单独使用聚乙烯醇而制成的材料的化学稳定性、热学及力学性能等方面还不足以满足人们的要求。因此，研究开发和生产力学性能和阻燃性能优良的聚乙烯醇具有重要意义，力学性能和阻燃性能的提高，将会使聚乙烯醇材料具有更广阔的应用前景。

石墨烯由单层碳原子紧密堆积的二维蜂窝状晶体结构，石墨烯表面结构中，碳原子层内σ键结合，使得石墨烯具有极其优异的力学性能，其抗拉强度可达125GPa，模量可达1.1TPa，以石墨烯为增强相在复合材料领域有很大前景和价值。同时，石墨烯类材料具有优异的导热性(热导率为5.3×10³W/(m·K))以及良好的气体阻隔性能。因此，这种独特的二维碳原子片层结构可以作为一种良好的阻燃剂来改善聚合物材料的阻燃性能。然而，石墨烯与聚乙烯醇分别为无机物和有机物，故二者相容性较差。此外，石墨烯片与片之间存在较强的范德华力，会使其在与聚乙烯醇复合的过程中容易出现团聚。从而使其对聚乙烯醇材料性能的提升不明显甚至有些性能反而有所下降。

为了进一步的研究石墨烯并充分发挥其优良的性能，提高石墨烯的分散性变得尤为重要。为了提高石墨烯在聚乙烯醇基体里的分散性，研究人员通常采用氧化还原法制备氧化石墨烯，因该方法能够使石墨烯基面和边缘含有大量含氧官能团，这些亲水官能团使其在水性介质中能高度分散。同时这些含氧官能团可与聚乙烯醇的侧基羟基形成氢键，其混合液可形成稳定均匀的溶液。如专利CN201510423397.X公开了聚乙烯醇/石墨烯纳米纤维材料及其制备方法，包括以下步骤：先用改进的Hummer制备氧化石墨烯，接着将聚乙烯醇溶于去离子水后再溶于氧化石墨烯的水溶液中，超声并搅拌，得到聚乙烯醇/石墨烯的均匀混合溶液，再接着向聚乙烯醇/石墨烯的均匀混合溶液加入氧化自由基清除剂，在高能电离辐射下搅拌还原氧化石墨烯，最后采用静电纺丝方式制备聚乙烯醇/石墨烯复合纳米纤维材料。制备的聚乙烯醇/石墨烯复合纳米纤维的拉伸强度达到20.7～23.9MPa。专利CN201510481021.4公开了一种氨基乙酸改性的氧化石墨烯，聚乙烯醇无卤阻燃材料及其制备方法，包括以下步骤：先用Hummer制备氧化石墨烯，然后将氨基乙酸加入到氧化石墨烯分散液中制备氨基乙酸改性氧化石墨烯，最后将氨基乙酸改性氧化石墨烯分散液加入到聚乙烯醇溶液中搅拌均匀，再加入镁铝型层状双氢氧化物分散液，搅拌均匀，烘干得到聚乙烯醇无卤阻燃材料。制备的聚乙烯醇无卤阻燃材料的极限氧指数最高可达到35.7％。

综上所述，采用氧化法制备了氧化石墨烯，虽然改善了石墨烯在聚乙烯醇基体里的分散性，从而提高了聚乙烯醇力学性能和阻燃性能，可是氧化法制备的石墨烯，缺陷比较多，不能完全还原且反应过程中用到很多的强酸，强氧化剂不符合绿色生产的要求；此外对氧化石墨烯进行进一步改性，工艺流程长、经济效益低等缺点。因此，开发一种低缺陷、无污染的阻燃剂功能化石墨烯是有迫切市场需求的。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明提供了一种简单环保易操作的电化学法，通过插层、氧化、剥离、修饰石墨片制备水分散性石墨烯。本发明方法避免使用强酸、强氧化剂和还原操作，同时实现一步法制备水分散性石墨烯，工艺流程短，经济效率高等优点。