[发明专利]热稳定性增强的三聚氰胺共价功能化石墨烯基纳米杂化材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种热稳定性增强的三聚氰胺共价功能化石墨烯基纳米杂化材料，特别是一种三聚氰胺有机共价化学修饰氧化石墨烯的纳米杂化材料，属于材料制备领域。

背景技术

石墨烯（Graphene）是由单层sp²杂化碳原子排列组成的蜂窝状六角平面晶体，它的发现者Geim等已获得诺贝尔物理学奖。源于其突出的物化性能，现已成为炭家族中一种非常热门的新纳米材料。石墨烯在储氢材料、催化剂载体、电子器件、电极材料、阻燃材料、复合材料等领域具有广泛的应用前景。在石墨烯的众多应用前景中，利用石墨烯制备功能复合材料最有可能在实际应用中取得突破。然而，石墨烯表面呈化学惰性，层间又具有范德华力作用，使其极易团聚，严重阻碍了它在任何溶剂中的分散，限制了在聚合物纳米复合材料中的应用。

氧化石墨烯（Graphene oxide, GO）是典型的准二维层状材料，是由石墨经过液相深度氧化得来的一种层状材料，层表面含有羧基、羟基、环氧基等大量含氧基团（根据Lerf-Klinowski模型），具有良好的亲水性。GO易于改性，并且与许多聚合物基体有较好的相容性；也可通过改性使氧化石墨表面由亲水性变为亲油性、表面能降低，层间距的增大使得层间范德华力降低，经过适当的超声波震荡处理极易在水溶液或者在有机溶剂中实现分散。因此，它可以进一步通过共价及非共价合成技术宏量制备功能化石墨烯。氧化石墨的制备工艺相对成熟，比较传统的化学方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法。其中，Hummer法因具有反应简单，反应时间短，安全性较高，对环境的污染较小等特点而成为目前普遍使用的方法之一。现在，越来越多的研究人员已经把GO作为一种重要的前驱体，开发了许多制备有机-无机杂化材料的方法。

但是，GO表面含氧基团的存在使其热稳定性很低，受热极易降解，且失重温度区间窄，只能分散于强极性溶剂中。各国研究者已经通过一系列有机共价及非共价技术，例如，异氰酸酯法、酯化、酰胺化、硅烷化法、亲核取代及相转移技术等构建了不同种类的功能化石墨烯杂化纳米材料。实现功能化石墨烯兼具高分散性及高热稳定性等一系列科学问题，亦成为目前最重要和最具挑战的工作之一。（1. Sasha Stankovich, Richard D. Piner, SonBinh T. Nguyen, et al. Carbon. 2006, 44: 3342-3347. 2. Tang X Z, Li W J, Yu Z Z, et al. Carbon, 2011, 49(4): 1258-1265.）

但在上述方法中，材料制备所采用的方法与本发明采用的方法不同。一般地，文献中报道的基于GO表面含氧基团的反应多为共价功能化或者非共价功能化，并且多关注GO上某一种含氧功能基团的功能化。其中，共价功能化方法多采用剧毒性物质，例如甲苯二异氰酸酯（TDI）等，容易遇水分解，污染高，难于工业化大规模生产。而非共价功能化研究相对较少，且合成过程中多采用聚合物大分子进行GO的包覆，较少伴随共价修饰，调控性能较差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的操作繁琐、偶联试剂毒性巨大等不足。提供一种热稳定性增强的三聚氰胺共价功能化石墨烯基纳米杂化材料及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种热稳定性增强的三聚氰胺共价功能化石墨烯基纳米杂化材料，其结构通式为：

上述三聚氰胺有机共价化学功能化氧化石墨烯的纳米杂化材料通过将天然石墨粉深度强氧化处理得到氧化石墨固体，再经在N, N-二甲基甲酰胺（DMF）中超声分散，得到氧化石墨烯DMF分散液，羧基活化后，加入二甲基亚砜（DMSO）溶解的三聚氰胺（MA），加热搅拌、过滤及干燥后，得到MA功能化石墨烯纳米杂化材料。

其具体的工艺包括以下步骤：

步骤1、以天然鳞片石墨粉制备氧化石墨固体；

步骤2、超声下，制备氧化石墨烯DMF悬浮液，氧化石墨和DMF溶剂的比为7.5~15 mg/mL；

步骤3、制备羧基活化的氧化石墨烯(GOCl)；

步骤4、配制三聚氰胺（MA）的DMSO溶液，三聚氰胺与DMSO的比例为（50：1）~（5：1） mg/mL；

步骤5、将步骤3得到的GOCl与步骤4中配制的三聚氰胺溶液混合，加热搅拌反应，其中，氧化石墨烯与三聚氰胺的质量比例为（10：1）~（1：10）；

步骤6、减压过滤、洗涤、干燥后即得到功能化石墨烯纳米杂化材料（GO-MA）。