一種水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬石墨烯新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，特別是涉及一種在水中用水性鈦酸酯表面修飾石墨烯并在磁場中對石墨烯進行超聲處理的石墨烯分散液，以及在磁場中對石墨烯分散液進行蒸餾或減壓蒸餾得到石墨烯濃縮液，再干燥得到水性鈦酸酯修飾石墨烯的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈.海姆教授和康斯坦丁.諾沃肖洛夫教授通過一種很簡單的方法從石墨薄片中剝離出了石墨烯，為此他們二人也榮獲2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯行業(yè)仍在量產(chǎn)摸索階段，主要的制備方法有微機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法；其中氧化石墨還原法由于制備成本相對較低，是主要制備方法。通過這種方法制備的石墨烯的層數(shù)一般為6-10層，石墨烯的層數(shù)大，會引起石墨烯比較面積的變小，這一變化會使得石墨烯的各方面性能大幅下降，包括機械強度、導電性能、導熱性能。現(xiàn)有技術(shù)也出現(xiàn)了制備少層或單層石墨烯的方法，但是相對應(yīng)的，這些方法具有成本高、效率底的重大缺陷。少層或單層石墨烯的使用，不僅能大幅降低石墨烯的使用量，還能更好的發(fā)揮石墨獨特的性能。
[0003]目前石墨烯的運用及其廣泛，但由于石墨烯顆粒度很小，最小的石墨烯長度不到I微米，這就導致石墨烯在使用的時候極易出現(xiàn)團聚的現(xiàn)象，團聚現(xiàn)象的出現(xiàn)，不僅會對產(chǎn)品性能造成很大影響，另一方面會大幅提升石墨烯使用量，造成成本上升。
[0004]石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個碳原子厚度的二維材料，由于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，石墨烯被認為是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，導熱系數(shù)高達5300W/m.K，是一種良好的導體。石墨烯可以與其他材料復合使用來彌補其他材料機械性能、導電導熱性能的不足，但石墨烯具有很強的疏水性，這就使得石墨烯在其他材料中的相容性很差。為使石墨烯與其他材料有機結(jié)合，現(xiàn)有技術(shù)利用水性鈦酸酯對石墨烯表面進行修飾處理，然后與水混合制成懸浮液。一方面是考慮水性鈦酸酯與其他材料如高分子材料有良好的結(jié)合性能，另一方面也考慮了水性鈦酸酯能改善石墨烯的團聚。
[0005]但是，由于石墨烯的特殊性能，在采用水性鈦酸酯對石墨烯進行表面修飾時，并不能均勻地將水性鈦酸酯分配給欲予以表面修飾的石墨烯。石墨烯具有比表面積極大、堆積密度非常小的特性，水性鈦酸酯的密度偏大，這就造成了在使用水性鈦酸酯對石墨烯進行處理時石墨烯與水性鈦酸酯的體積比極大。少量的水性鈦酸酯加入到石墨烯中時能能被修飾到的石墨烯很少，而且還會造成石墨烯小范圍的結(jié)團團聚。這樣的方法來處理石墨烯，基本起不到石墨烯表面修飾的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]由于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，該方法通過在水溶液體系中利用水性鈦酸酯對石墨烯進行表面修飾，使得石墨烯表面引入活性基團，一方面避免了石墨烯在使用時產(chǎn)生團聚，另一方面，活性基團能明顯提高石墨烯與其他符合材料的相容性和分散性，大幅提高石墨烯符合材料的性能。此外，通過在磁場中對石墨烯分散液進行超聲處理，這一工藝不僅能使得石墨烯能夠被水性鈦酸酯充分修飾，而且石墨烯在磁場與超聲的共同作用下，能達到很好的剝離效果，這種方法能夠大幅減少石墨烯在復合材料中的使用量。最后，對經(jīng)水性鈦酸酯修飾后的石墨烯進行蒸餾干燥等脫水處理，能有效擴大經(jīng)修飾后的石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域，大幅改善了石墨烯應(yīng)用時產(chǎn)生的缺點和弊端。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0008]本發(fā)明的一種水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，先將水性鈦酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯粉體，在磁場中進行超聲分散得到石墨烯分散液；然后在外加磁場作用下，將石墨烯分散液進行蒸餾或減壓蒸餾得到石墨烯濃縮液，然后再進行干燥處理得到經(jīng)水性鈦酸醋修飾的石墨稀。
[0009]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，
[0010]如上所述的水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，所述加入的石墨烯粉體的尺寸為:長和寬分別為I?200微米，厚度為6?10納米；所述經(jīng)水性鈦酸醋修飾的石墨稀的尺寸為:長和寬分別為I?200微米，厚度為I?6納米。石墨烯的顆粒度越小，相對應(yīng)的比表面積就越大，石墨烯的厚度主要體現(xiàn)為石墨烯的片層數(shù)，單層石墨烯的厚度接近I納米，片層數(shù)小的石墨烯更有利于發(fā)揮石墨烯優(yōu)秀的機械性能和其他物理性能，并且在使用時還能減少石墨烯的使用量。
[0011]如上所述的水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，所述的石墨烯分散液中石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為0.5?8%，水性鈦酸酯的質(zhì)量小于等于石墨烯質(zhì)量的2% ;所述的石墨烯濃縮液中石墨烯的質(zhì)量分數(shù)為30?70% ;所述經(jīng)水性鈦酸酯修飾的石墨烯的水份含量不高于0.5%。水性鈦酸醋過少，不能對石墨稀表面充分修飾，過多會造成材料性能的下降。經(jīng)過濃縮干燥工藝后，所述經(jīng)水性鈦酸酯修飾的石墨烯中，已基本不含水份，使得這種石墨烯在應(yīng)用過程中避免了引入水份而造成的工藝復雜化。
[0012]如上所述的水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，所述的水性鈦酸酯可以是雙(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撐鈦酸酯，或雙(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撐鈦酸酯和三乙醇胺的螯合物溶液，或雙(二辛基焦磷酸酯)羥乙酸酯鈦酸酯，或雙(二辛基二乙醇)乙二胺鈦酸酯，或二(辛烷基苯酚聚氧乙烯醚)磷酯。水性鈦酸酯含有可水解的短鏈烷氧基能與石墨烯的雙鍵發(fā)生化學反應(yīng)從而使得鈦酸酯能與石墨烯充分結(jié)合，起到表面修飾的作用。
[0013]如上所述的水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，所述的溶解過程是通過機械攪拌的方式，轉(zhuǎn)速為50?100轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時間為5?30分鐘，溫度為10?35°C。水性鈦酸酯能與水互溶，通過低速攪拌加快鈦酸酯溶解速度，大幅縮短溶解時間。
[0014]如上所述的水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，所述的超聲分散的超聲波頻率為20?30KHz，功率為I?5千瓦，超聲分散時間為30?90分鐘，溫度控制為10?60°C。超聲分散對石墨烯在分散液中的分散具有很好的效果，也能夠充分的使得石墨烯表面被水性鈦酸酯修飾，另外，石墨烯通過磁場作用在石墨烯分散液中定向排列從而達到一個平衡狀態(tài)后，由于超聲的高頻率作用，從而使得這種平衡狀態(tài)被打破，通過不斷的力學作用，使得石墨烯片層之間的距離增大，從而達到剝離的作用。
[0015]如上所述的水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，所述超聲分散對應(yīng)的磁場強度為0.5?5T ;所述外加磁場的磁場強度為2-6T。石墨稀材料具有特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)，在磁場中，石墨烯分散液中的石墨烯會產(chǎn)生有序的定向排列，在濃縮過程中，由于石墨烯的含量逐漸升高，石墨烯濃縮液的粘稠度會逐漸變大，因此，通過較高磁場強度的磁場來控制石墨烯的有序排布。
[0016]如上所述的水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，所述蒸餾是指通過加熱使得水分蒸發(fā)而使得石墨烯分散液中石墨烯濃度提高的過程，蒸餾溫度為80?100°C，蒸餾時間為10?60分鐘；所述減壓蒸餾的參數(shù)為:真空度為-0.0lMPa?-0.1MPa,蒸餾溫度為50?80°C，蒸餾時間為10?30分鐘。
[0017]如上所述的水性鈦酸酯修飾石墨烯的方法，所述干燥的條件為:溫度80?100°C，時間4?12小時。充分干燥的石墨烯，可被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中包括高分子、金屬、陶瓷等石墨烯復合材料。
[0018]有益效果:
[0019]本發(fā)明的水性鈦酸酯修飾石墨烯的制備方法，構(gòu)思獨特，步驟簡便，效果明顯。
[0020]本發(fā)明中的水性鈦酸酯修飾的石墨烯，石墨烯活性高、剝離度好、顆粒均勻、含水率極低。通過在磁場中進行超聲分散和蒸