[发明专利]石墨烯的浓缩水分散液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的浓缩水分散液及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化形成的单原子层材料。这些紧密排列成六角形蜂巢结构的碳原子形成石墨烯、碳纳米管以及富勒烯的基本结构元素。

石墨烯是一种具有独特性质的材料：除了导热性(～5000W/Km)以及高的电流承载能力(～1.2mA/μm)外，它还是具有高电荷载流子迁移率(高达200,000cm²/Vs)的零带隙半导体，非常高的机械强度(拉伸强度～40N/m，杨氏模量～1.0TPa)。这些性质使得石墨烯被用于要求使用先进材料的区隔市场。因此，从科研及工业角度对基于石墨烯的材料进行了研究以应用于如电子、光伏、电池、传感器、光电子学以及纳米复合材料等领域。

科技及专利文献公开了各种制备石墨烯的方法，例如化学气相沉积、外延生长、化学剥离以及氧化型氧化石墨烯(GO)的化学还原。

申请人Directa Plus公司是欧洲专利EP2 038 209 B1的专利权人，除了其它事项外，其公开并请求保护一种制备包含石墨烯层状结构的方法，通过插层以及随后的石墨烯的膨胀/剥离获得。US 2011/0017585A1公开了通过对分散在没有表面活性剂的液体中的天然石墨进行超声的方式来生产钠米石墨烯片(NGPs)。所使用的液体必须具有一低的表面张力，以确保石墨烯的高润湿性。通过对多种溶剂的表面张力的研究，发现所获得的纳米石墨烯片的厚度取决于与液体，定义为“溶剂”的接触角。所有的溶剂均为有机溶剂。实施例中所使用的溶剂为正-庚烷、甘油和苯。说明书表明了获得初始材料(石墨)浓度高于0.1mg/mL、一般高于1mg/mL、更多地高于10mg/mL(1wt％)的分散液的可能性。实施例涉及重量浓度为0.5wt％的分散液。

US2008/0279756A1公开了制备膨胀石墨、柔性石墨以及纳米石墨烯片(NGPs)的方法。所述方法包括石墨粒子或是氧化石墨分散在水中，随后以足够的能级进行超声波处理以形成纳米尺寸的石墨烯片。说明书(第[0042]段)涉及了横向尺寸小于100nm的粒子。实施例5公开了在表面活性剂存在的情况下，2wt％的NGPs的水分散液的超声波处理，但没有标明所获得的NGPs的尺寸，也没有公开石墨烯浓度高于2％的分散液。

US8,222,190B2公开了一种纳米石墨烯改性润滑剂，包括以重量浓度为0.001％-75wt％，优选0.001％-65wt％的纳米石墨烯片(NGPs)分散在基于石油或合成油的润滑油中。实施例1公开了超薄石墨烯片的制备，通过石墨薄片以0.5％的浓度分散在水中超声2小时，随后将所述分散液进行喷雾干燥获得厚度为1-5层石墨烯层的干燥NGPs。实施例4公开了多种润滑剂组合物的制备，所述润滑剂组合物包括以2.5％(样品1)和45％(样品5)分散在α-烯烃或是聚烯烃中的NGPs。

因此，无论是石墨烯以低浓度分散在含有有机溶剂或是甚至是由α-烯烃低聚物形成的液体是已知的。事实上，石墨烯的疏水性意味着应避免使用水作为分散液的液体介质。这种疏水性反而导致了有机溶剂的使用，从安全和环境的角度看来，这都是昂贵且有问题的。

然而，上面提到的石墨烯的工业应用，大多数是依赖石墨烯的可用性，尤其是浓缩的形式，易于使用，从健康和环境的角度看来，是相对便宜和安全的。

发明内容

因此，本发明的目的之一在于提供一种以容易获得的液体介质制备的相对浓缩形式的石墨烯分散液，从健康和环境的角度看来，是便宜且非常安全的。

本发明的另一目的在于提供一种制备如上所述石墨烯分散液的安全且可靠的工艺，可获得非常纯的石墨烯，且氧化产物的量最小。

本发明上述及其它目的和优势通过在表面活性剂存在的情况下，将石墨烯的纳米粒子分散在水中来实现，其中：

-石墨烯纳米粒子在水中的重量浓度为5wt％-50wt％；

-所述石墨烯纳米粒子的C/O比≥100:1；

-至少90％的所述石墨烯纳米粒子具有10-10,000nm的横向尺寸(x,y)，以及0.34-30nm的厚度(z)，所述横向尺寸总是大于所述厚度(x,y＞z)；

-所述表面活性剂的量为所述石墨烯的量的1-20wt％，且为阴离子表面活性剂或是非离子表面活性剂或是它们的混合物。

根据本发明，制备水中石墨烯纳米粒子分散液的方法包括横向尺寸≤500μm的插层石墨片的膨胀，通过将其暴露在至少1300℃的温度下少于1秒钟，其中：