[发明专利]一种高含量的水性石墨烯分散液及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高含量的水性石墨烯分散液，由MMP、乙醇、润湿剂、石墨烯、三元嵌段共聚物分散剂、其它助剂和水组成；所述的三元嵌段共聚物分散剂由衣康酸、乙烯基苯磺酸钠、甲基丙烯酰氧烷基醇磷酸单酯，RAFT链转移剂、偶氮类引发剂，通过RAFT技术合成；其Mn为3000～8000，PDI≤1.2；本发明制得一种高含量的水性石墨烯分散液，具有良好的纳米粒径及窄分布、透明性、相容性、贮存稳定性，优异的耐腐蚀性、导电性、润滑性、耐油性、耐醇性、耐水性和耐盐雾性。广泛用于水性防腐涂料、水性UV/LED涂料、复合材料、导电薄膜材料、摩擦材料及传感器等领域。

技术领域

本发明涉及一种水性石墨烯分散液，尤其涉及一种高含量的水性石墨烯分散液及其制备方法，属于石墨烯技术领域。

背景技术

石墨烯是一种二维蜂窝状碳质材料，由于其独特的结构而具有非凡的电学性能、光学性能、热力学性能以及力学性能。石墨烯的电子迁移率(2×10⁵cm²·v^-1·s^-1)，比硅半导体高100倍。广泛用于纳米电子器件，传感器，纳米复合材料、电池、超级电容器、储氢装置等。高浓度稳定分散的石墨烯分散液有着巨大的应用前景，可以应用于石墨烯复合材料、防腐涂料、透明导电薄膜等工业化生产。

但是石墨烯具有高的比表面积，不亲水也不亲油，并且由于范德华力还容易发生团聚，难以长时间稳定分散在溶液中。

对于如何改善石墨烯的分散性问题，有大量的科研人员在这方面作了一系列研究，其方法主要集中在对石墨炼的表面改性、引入外来分子如负载纳米粒子、加入表面活性剂分子、引入高分子以及掺杂芳香族大分子等，也有利用还原的氧化石墨炼面内或边缘含氧官能团的静电排斥作用以减弱片层间的范德华力来达到稳定分散的目的。近来有报道在不加任何表面活性剂或稳定剂的情况下，通过调节分散介质的pH值达到稳定分散石墨烯的效果。

用于分散石墨烯的体系主要有三种:(1)表面活性剂水溶液，(2)有机溶剂，(3)超酸。目前，在水溶液中使用表面活性剂所得到的石墨烯的分散液浓度都偏低，一般为5％，近来较高浓度10％石墨烯分散液提供，但是其稳定性、石墨烯粒径及分布不是很理想，如果石墨烯达不到理想的粒径，其性能大打折扣。若能在水溶液体系中得到高浓度稳定的石墨烯分散液，无疑能促进石墨烯在多领域中的广泛应用，这正是石墨烯研究领域中的一个重要课题。

据公开的专利报导，目前用于分散石墨烯液常的表面活性剂，如十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、聚乙烯醇(PVA)、木质素磺酸钠(SLS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、DNA、胆酸钠(SC)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、聚氧乙烯蓖麻油等。但这些分散剂制备的石墨烯分散液浓度低、稳定性差。

发明内容

本发明旨在提供一种高含量的水性石墨烯分散液及其制备方法。

本发明采用一种RAFT合成的、三元嵌段共聚物作为分散剂，该分散剂具有A-B-C嵌段结构，其锚固基团羧酸盐离子、磺酸盐离子、磷酸酯盐离子吸附石墨烯粒子表面上H⁺形成双电层产生静电排斥，聚乙烯基苯环的嵌段梳状分布能与石墨烯形成π-π共扼键，聚甲基丙烯酰氧烷基的嵌段梳状分布产生空间位阻不会相互缠绕，并伸展在分散体系中形成架桥网状分布，从而形成稳定的悬浮体系；该分散剂含多个锚固基团，完全与粒子表面上的H⁺离子结合，且吸附量大，锚固效果好，有效防止水分子中-OH渗入到石墨烯粒子表面与H⁺形成氢键。本发明所述的石墨烯分散液在防腐涂料、复合材料、导电薄膜、传感器等的应用上使石墨烯处于纳米级分布状态而不团聚，充分体现石墨烯具有的独特性能。

本发明所述的三元嵌段共聚物分散剂，其分子末端含有磷酸酯盐基团，其制备的石墨烯分散液用于水性防锈防腐涂料时，能与金属底材上生成一层磷化膜，提高与基材的附着力和致密性，从而提高涂料的耐水性和耐盐雾性。