[发明专利]分散体

说明书

本发明公开了一种形成2D材料/石墨纳米片的液体分散体的方法。该方法包括步骤：(1)创建分散介质；(2)将2D材料/石墨纳米片混合到分散介质中；以及(3)使2D材料/石墨纳米片经受足够的剪切力和/或压碎力，以减小2D材料/石墨纳米片的颗粒尺寸。该液体分散体包括2D材料/石墨纳米片、至少一种研磨介质和至少一种非水性溶剂。

技术领域

本发明涉及分散体，特别地，涉及包括二维(2D)材料的分散体和制造这种分散体的方法。

背景技术

本文引用的2D材料包括已知的2D材料和/或具有至少一种纳米尺度尺寸的石墨薄片或其混合物中的一种或多种。它们在本文统称为“2D材料/石墨纳米板”或“2D材料/石墨纳米片”。

2D材料(有时称为单层材料)是由单层原子或多层原子组成的晶体材料。层状2D材料由2D层微弱地堆叠或结合形成的三维结构组成。2D材料纳米板具有纳米尺度内的或更小的厚度，并且2D材料纳米板的其他两个尺寸通常在比纳米尺度更大的等级上。

已知的2D纳米材料包括但不限于石墨烯(C)、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、六方氮化硼(hBN)、二硫化钼(MOS₂)、二硒化钨(WSe₂)、硅烯(Si)、锗烯(Ge)、石墨炔(C)、硼烯(B)、磷烯(P)或上述材料中的两种的2D垂直或平面内异质结构。

具有至少一种纳米尺度尺寸的石墨纳米板包括10-40层之间的碳原子，且具有介于约100nm-100μm范围内的横向尺寸。

2D材料/石墨纳米片和特别地石墨烯和六方氮化硼在材料领域具有许多有益的性质，且更多的性质正在被发现。这样的材料及其性质的利用的一个重大挑战是生产其中分散了这些材料的组合物，且所述组合物可以在商业化过程中制造并且在商业上具有吸引力。特别地，这种组合物必须具有足够的储存寿命/长命，为了使将要出售的物质储存至已知的周期然后使用。此外，这种组合物不能对使用者和/或环境有害，或者至少任何危害必须在可接受的范围内。

关于2D材料/石墨纳米片面对的一个特别的问题是在水性和非水性溶剂中的分散性差，并且一旦分散，这种分散体的稳定性差。例如，具有一种纳米尺度尺寸的石墨烯纳米板和/或石墨纳米板在水性和非水性溶剂中面临该问题。六方氮化硼纳米板面临同样的问题。

对于已知或被怀疑是危险的2D材料/石墨纳米片，尤其地是当未封装在其他材料中时，这些2D材料/石墨纳米片在分散体中的稳定性特别地重要，因为当未结合或封装在非空气传播的物质时，如果它们从分散体中分离出来并且干燥，他们就很容易变成空气传播。如果吸入肺中，具有至少一种纳米尺度尺寸的空气传播石墨烯纳米板和/或石墨纳米板被认为对人类和动物健康是潜在的危害。其他2D材料/石墨纳米片的危害仍在评估中，但人们谨慎地认为其他2D材料/石墨纳米片会带来类似的危害。

2D材料/石墨纳米片具有高的表面积和低的功能性，这导致历史证明它们很难在溶液中润湿和/或分散。此外，众所周知，一旦被分散，2D材料/石墨纳米片的聚集是很难阻止的。

自从发现2D材料/石墨纳米片和其性能以来，润湿和实现分散体稳定性的改进方法一直是深入研究的主题。

创造良好分散体的参数在胶体科学领域中已得到很好的确定，且任何胶体系统的自由能都由界面面积和界面张力确定。单层石墨烯的理论表面积约为2590m²g^-1，因此，单层石墨烯可以分散的条件存在有限的范围，通常这些条件已经包括超声处理和极性非质子溶剂。

为了保持石墨烯/石墨纳米片(其中，石墨纳米片是具有纳米尺度尺寸、具有10-20层且具有介于约100nm-100μm范围内的横向尺寸的石墨纳米板)在分散体中的稳定性，一旦他们已经被分散就需要产生能量屏障以阻止这些纳米片的聚集。这可以通过静电排斥或空间排斥来实现。如果能量屏障足够高，那么布朗运动将维持分散。这已经通过使用一种或多种方法实现，这些方法可以被表征为：

a、溶剂选择；