[发明专利]一种长链烷基胺功能化石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯改性领域，涉及一种长链烷基胺功能化石墨烯及其制备方法。具体为在水/乙醇混合溶液中，长链烷基胺接枝并还原氧化石墨烯得到长链烷基胺功能化石墨烯，经纯化和干燥最终得到长链烷基胺功能化石墨烯粉体。

背景技术

石墨烯具有由单层sp²杂化碳原子构成的六方点阵蜂窝状二维结构，凭借其优良的电学、光学、热力学等性能在电子器件、导电油墨、透明导电膜以及聚合物复合物等领域着广泛的应用前景。在聚合物复合物研究领域，石墨烯已经成为最热门的增强材料之一。然而，完美的石墨烯表面不含任何官能团，片层间的范德华作用力使得其片层极易堆叠，这使得石墨烯片层极难剥离和分散，这大大限制了石墨烯材料的应用。聚合物加工中传统的熔融共混法采用石墨烯粉体直接投料的方式，石墨烯聚集体被熔融的高粘的聚合物包裹，无法保证石墨烯在聚合物基体中的有效分散，使得石墨烯的优异性能无法得到充分发挥。通过化学修饰的手段在石墨烯表面接上小分子、齐聚物或者聚合物链是提高石墨烯与聚合物材料的相容性改善石墨烯分散性能的一种有效方法。氧化石墨烯表面有丰富的含氧基团，如羟基、环氧基、羧基和羰基等，这些含氧基团的存在为氧化石墨烯的表面修饰和改性提供了良好的基础。环氧基可以与氨基发生开环加成反应，因此带氨基的小分子或齐聚物可以通过氨基与氧化石墨烯表面的环氧基的开环加成反应接枝到氧化石墨烯的表面实现对石墨烯的化学修饰，同时，氨基还能将氧化石墨烯还原为石墨烯。

聚烯烃以其质轻、价廉及低吸湿性而广泛应用于工业生产的各个领域。在实际生产中，为了让聚烯烃达到我们所需的苛刻的性能要求，通常需要对其进行改性。与无机填料复合是聚烯烃改性的一种重要手段，但由于聚烯烃非极性、表面能低导致了它的与无机填料的相容性差，限制了其应用领域的拓展。如果能提高石墨烯片层与聚烯烃材料的相容性，将石墨烯用于聚烯烃的改性，有望大大提高聚烯烃材料的性能和应用范围。长链烷基胺是一类链端带氨基的长链烷烃，具有胺的通性。长链烷基胺在酸催化下与氧化石墨烯反应，可以将长链烷基胺接枝到石墨烯的表面并原氧化石墨烯，一步法实现对氧化石墨烯的功能化和还原。所得产物中大量长烷基链的存在将显著提高石墨烯片层在有机溶剂中的分散能力和溶液稳定性，也能有效改善石墨烯片层与聚合物材料特别是聚烯烃类的相容性，为石墨烯的应用创造条件。

发明内容

本发明的目的在于克服石墨烯片层在有机溶剂中难分散以及与聚合物相容性差的难点，提供一种长链烷基胺功能化石墨烯及其制备方法。本发明制备的长链烷基胺功能化石墨烯可以很好的分散在三氯甲烷、甲苯等多种有机溶剂中。本发明制备的长链烷基胺功能化石墨烯能应用于石墨烯分散液和聚合物复合材料制备等领域。本发明方法具有反应条件温和、操作简单、成本低、少污染等优势，适合大规模生产和工业化应用。

为了达到上述目的，本发明采用的一种长链烷基胺功能化石墨烯的制备方法的技术方案是：具体步骤如下：

在氧化石墨烯水溶液中加入酸调节溶液pH值至pH < 7，向调节pH值后的氧化石墨烯水溶液中加入长链烷基胺的乙醇溶液，混合均匀后得混合溶液，再于加热条件下进行接枝反应和化学还原；所得混合反应液经分离和乙醇洗涤除去未反应的长链烷基胺，得到长链烷基胺功能化石墨烯的乙醇溶液或浆状料；进一步干燥得到长链烷基胺功能化石墨烯粉体。

上述制备方法技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、氯酸、醋酸、草酸、磷酸、氢溴酸中的一种或多种。

2、上述方案中，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1~20 mg/mL。

3、上述方案中，所述长链烷基胺是一类链端含氨基的长链烷烃，其结构通式为C_nH_2n+1-NH₂，其中n = 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18。

4、上述方案中，所述混合溶液中中溶剂乙醇与水的体积比为（0.5~2）：1。

5、上述方案中，所述混合液中长链烷基胺与氧化石墨烯的质量比为（0.05~5）：1。

6、上述方案中，所述接枝反应的反应条件为25~100℃下反应2~72小时。

7、上述方案中，所述分离和乙醇洗涤除去未反应的长链烷基胺的方法为以下方法中的任一种：透析或离心-乙醇洗涤或过滤-乙醇洗涤。

8、上述方案中，所述干燥方法为喷雾干燥、超零界干燥或真空干燥中的任一种。