[发明专利]一种低温环境使用的水性石墨烯分散液及其制备方法与用途

说明书

本发明提供了一种新型的石墨烯分散液。利用高压剪切分散技术，将特定尺寸和特性的石墨烯粉体，在高效分散剂作用下分散在环保防冻介质中制成适用于低温环境使用的水性石墨烯分散液。所制备的石墨烯浓度为2.56~15.0 mg/mL；石墨烯分散液稳定存放期超过一年；它在‑40℃下仍可正常使用；其导热系数比目前通用的有机醇类防冻液高30%以上；此分散液无毒、无害，对各种金属材料及高分子材料腐蚀性低。是替代目前通用防冻剂及高端领域使用的较理想的热交换产品。

技术领域

本发明涉及石墨烯分散液，尤其涉及一种低温条件下应用的水性石墨烯分散液及其制备方法与用途，属于功能材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯是一种具有蜂巢状晶格结构的新型的二维材料，自从Novoselov等人在2004年发现石墨烯以来，这种具有完美的二维蜂窝状晶格结构的碳材料，它是由碳原子以sp²杂化方式形成化学键的。石墨烯内部碳原子中每个碳原子与周围的三个碳原子以sp²杂化方式形成化学键，此外还有一个位于Pz轨道上的未成键的电子，临近碳原子的Pz轨道在垂直方向上可形成离域大π键，因此赋予了石墨烯众多优异的物理和化学特性；出色的导热性能(3000 W•m^-1•K^-1)，杰出的杨氏模量(～1 TPa)，优异的导电性能（15000 cm^-2·(VS)^-1），优良的催化性能等。使其在纳米流体传热、能源储存、可充电电池和印刷技催化有机合成等众多领域展现出广阔的应用前景。

石墨烯具有较强的π-π作用力，不亲水也不亲油，并且由于范德华力还容易发生团聚，重新形成石墨，水中分散性极差，严重影响应用性能。

目前石墨烯分散液的制备方法主要有:

直接剥离分散法，将石墨粉分散在有机溶剂中，利用超声等技术手段使溶剂分子对石墨片插层，实现对石墨的剥离，从而得到石墨烯。实验发现，随着超声时间的延长和功率提高，石墨烯的产率提高，得到的石墨烯尺寸减小。Cole-man实验组利用石墨烯为原料，在有机溶剂NMP中超声360 h，制备了浓度为1.2 mg/mL的石墨烯分散液。

分子修饰法制备氧化石墨烯分散液，是现阶段制备石墨烯功能分散液的主要方法，也是最具应用潜力的一种方法。作为反应的主体材料，具备共轭结构的氧化石墨烯会通过共价键方式（C-C）及非共价键方式（π-π）与外来分子相连，从而完成修饰改性，得到石墨烯复合功能分散液。主要方式有两种：共价分子修饰改性是指所引入的分子或单体在石墨烯表面发生化学反应并通过共价键的形式与石墨烯连接。然而，要在石墨烯表面形成共价键就必须破坏其sp²杂化结构形成sp³杂化结构。Niyogi等曾报道利用酰化反应将十八烷基胺（ODA）键合到氧化石墨烯上，增强氧化石墨烯在四氢呋喃、四氯化碳等溶剂中的分散性；但是并没有说明石墨烯具体的浓度。非共价分子修饰改性是指共价分子在石墨烯表面产生缺陷的缺陷不同，非共价分子调控在一定程度上保持了石墨烯的π共轭体系，主要通过范德华力或π-π相互作用等方式对石墨烯进行修饰。清华大学石高全课题组利用磺化的聚苯胺与石墨烯之间的π-π相互作用形成了磺化的聚苯胺修饰的石墨烯材料，该石墨烯材料不仅具有很好的分散性而且显示出了较高的电化学稳定性和电催化活性，但是该体系也仅仅说明石墨烯分散液浓度高于1 mg/mL。他们还利用吡啶衍生物（例如，吡啶酸盐，PB-）与石墨烯之间较强的π-π相互作用制备出了稳定分散的芘-石墨烯功能水溶液。

两种方法各有优缺点，前者得到的石墨烯片层结构完整，导电等性能优异，但分散浓度较低，难以进行生产；后者得到的石墨烯片层虽然片层缺陷较大，电学和热学性能难以恢复，但其分散稳定性好，特别是目前制备的水性石墨烯分散液不能够在低于零度的范围内进行使用，因而极大的限制了水性石墨烯分散液的应用范围。

发明内容

本发明的目的是针对目前石墨使分散液制备及应用领域存在的技术问题，提供一种能在低温环境中使用的石墨烯分散液的有效制备方法。