[发明专利]一种利用气流剥离分级制备石墨烯微片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及石墨烯片的制备方法，特别是涉及一种利 用气流剥离分级制备石墨烯微片的方法。

背景技术

石墨烯是单层碳原子堆叠而成的二维蜂窝状结构的新型材料。自从2004年英国 曼彻斯特大学的两位科学家Novoselov博士和Geim教授利用“胶带法”机械剥离在实验室 中成功地分离出单独存在的高质量石墨烯，开启了石墨烯材料的研究热潮。由于石墨烯优 异的电学、力学、光学性能，一直以来在高端领域应用。石墨烯的主要采取气相沉积法，利用 气态碳源在高温下分解后在基体表面上的催化生长制备得到石墨烯，该方法是制备高质量 和大面积单层石墨烯的重要方法。但是其生产条件较为苛刻，耗能大，成本高。而且，直接采 用气体碳源很大程度上增加了生产的危险性。

国内目前主要采用氧化石墨还原法为制备石墨烯的主要方法，该方法是将石墨进 行强氧化处理，得到氧化石墨后，再对其进行剥离制备氧化石墨烯，最后经过还原处理得到 石墨烯。由于在强氧化过程中会严重破坏石墨烯片层的结构，虽然经过还原处理，石墨烯片 层的电子共轭结构得到部分恢复，所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存 在较大的差距。此外，石墨的氧化过程通常需要大量的强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、高 锰酸钾等，而且还原过程中有需要高温处理或使用水合肼、硼氢化钠等有毒的化学物质，不 仅能耗大，效率低，成本高而且污染环境。

机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。为了使石 墨层间发生剥离，机械物理剥离法常用的剥离手段有常规球磨、搅拌球磨、研磨等。然而借 助磨球对石墨粉体研磨，这种方法由于局部施加压力大，强大的冲击力会使石墨烯产生结 构缺陷，降低剥离后石墨烯的尺寸。

中国发明专利申请号201280019582.7公开了一种制备石墨烯的方法，通过研磨、 球磨、气流磨等借助离子液体研磨4个小时获得石墨烯。借助离子液促进了石墨的剥离，但 采用长时间的研磨获得的石墨烯晶体尺寸小，而且借助离子液会使石墨烯层晶格受到影 响。

中国发明专利申请号201510073825.0公开了一种吨级生产石墨烯的类机械剥离 装置及其生产方法，其通过一个磨盘似的转子，转子转动时，转子的外表面与物料仓的内表 面研磨，从而使得石墨被剥离减薄获得石墨烯。

但上述获得石墨烯不但产量低，而且能耗高时间长。特别是在强力的研磨过程中 难以将已剥离的石墨烯及时分离出来，极易造成团聚。

另一方面，石墨烯优异的性能急需在复合材料、润滑材料、涂料等领域大量应用。 而现有技术难以满足这种大规模的需求。在复合材料领域，只要层数达到一定的要求，即可 满足要求。因此大规模制备层数在100-200层的石墨烯片成为石墨烯应用的主要突破口。

中国发明专利200810151807.X将氧化石墨在高真空下以一定升温速率升温至150 ～600℃,维持恒温0.5～20H,得到氧化石墨烯片。在氧化石墨的热膨胀过程中，需要较高的 负压环境来实现氧化石墨的成功膨胀，其条件较苛刻，对设备的要求极高，无法连续生产， 难以放大，制约石墨烯片规模化生产。

发明内容

针对目前急速增加的石墨烯片需求，本发明提出一种低成本连续获得石墨烯微片 的方法。该方法利用高速气流剥离和连续分级得到层数在100-200层的分布均匀的石墨烯 片，可将石墨烯片在橡胶、塑料、涂料、润滑油、污水处理等复合材料中添加使用，或者作为 进一步制备石墨烯的原料，可以大幅降低目前石墨烯的制备成本。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种利用气流剥离分级制备石墨烯微片的方法，其特征在于：将石墨粉层间脆化，通过 高速气流产生的剪切力连续剥离分级获得层数在100-200层的分布均匀的石墨烯微片，具 体方法如下：

（1）将二甲基亚砜、甲酰胺、聚乙二醇以质量比2-3:3-5:1配制成插层剂，然后将石墨粉 在插层剂中浸泡48h以上，通过离心机滤干、干燥得到预插层石墨；