[发明专利]一种利用涡轮砂磨机剥离的石墨烯复合微片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯的方法，具体涉及一种利用涡轮砂磨机剥离的石墨烯复合微片及其制备方法。

背景技术

2004 年，英国曼彻斯特大学的两位科学家使用微机械剥离的方法发现了石墨烯，并于2010 年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯为一种由sp2 键结合而成的单一原子厚度的碳原子构成的平面结构材料，理论上，具有完美六角网状构造，呈现优异的电子稳定性、导热性、光性能、力学性能等。由于其具有优异的物理性能和巨大的市场应用前景，自石墨烯被发现后迅速引发了物理和材料科学等领域的研究热潮。

目前石墨烯的制备方法主要包括有机械剥离法、外延生长法、氧化还原法、超声剥离法、有机合成法、溶剂热法、化学气相沉积法等。在这些方法中，由于机械剥离法能够最佳地保存石墨烯的性质，并且制备方法简单，制备过程环保无污染，在实际的生产中备受青睐。比如曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆利用胶带从碳素材料上分离得到石墨烯。虽然方法简单，但是只能产出数量有限的石墨烯。而砂磨机是目前物料适应性最广、最为先进、效率最高的研磨设备，研磨腔最为狭窄，拨杆间隙最小，研磨能量最密集，配合高性能的冷却系统和自动控制系统，可实现物料连续加工连续出料，极大的提高了生产效率。如果能够使用砂磨机直接剥离石墨制备石墨烯，将极大的提高石墨烯产业产能。

为了扩大机械剥离法的产出同时最佳地保留石墨烯的性质，从而达到规模化制备高质量尤其是高电导率和高热导系数的石墨烯材料，中国发明专利申请号201310726602.0公开了一种制备石墨烯粉体材料的方法及石墨烯粉体材料。该方法将天然鳞片石墨经过强氧化剂氧化后，放入微波炉中膨化，得到石墨膨化中间体，再将中间体投入球磨或砂磨机研磨，得到石墨烯粉体材料。本发明制备的石墨烯粉体材料具有较高的电导率和热导系数，可用作导电和导热添加材料。然而该方法仍然使用强氧化剂处理石墨，破坏了石墨烯的表面完整性，增加石墨烯的电阻，而且强氧化剂的使用也会造成环境污染，并给制备工作人员带来安全隐患。

中国发明专利申请号201510634802.2公开了一种超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法及剥离制石墨烯的 装置。该方法将鳞片石墨与表面活性剂混合得到石墨分散液，将石墨分散液使用砂磨机研磨，在研磨的过程对石墨分散液进行研磨超声剥离，后经离心分离得到石墨烯分散液。该方法利用砂磨机研磨过程中的剪切作用，结合超声波粉碎机中的超声空化作用，实现鳞片石墨的纯物理破碎剥离制备，工艺过程简单，条件温和，且成本低廉，适用于大规模的工业化生产。然而，该方法将石墨烯在砂磨机的剪切作用下直接被剥离，由于石墨层间仍然具有范德华力的作用导致，这种剥离方法效率较低，而且石墨烯在水溶液中容易发生团聚现象，容易造成不均匀分散，进而使得石墨烯产品质量降低。

根据上述，虽然单纯采用砂磨机可以剥离石墨获得石墨烯，但是由于石墨层间具有较强的范德华力作用，石墨层间的化学键能较高，单纯的剪切剥离的效率低，难以大规模生产，而且如果强氧化剂对石墨处理，使制备的石墨烯表面接枝极性基团，危害人体健康并且导致环境污染，破坏了石墨烯的晶格完整性，降低了体系的导电能力。因此，从产业需求的角度考虑，我们更需要开发出一种低成本、规模化、高效率地砂磨机研磨制备石墨烯的方法。

发明内容

针对目前采用砂磨机剥离石墨获得石墨烯的方法存在剪切力低、剥离效率低、使用研磨介质难以分散、难以大规模生产等缺陷，本发明提出一种利用涡轮砂磨机剥离的石墨烯复合微片，将石墨与铵盐混均，与无机矿物粉体一起通过涡轮砂磨机中多组高速转动的涡轮式分散器，以无机矿物粉体作为研磨辅助介质，将石墨稳定地沿腔室的圆周方向运动，形成多束高速粒子流，增加了剪切剥离的动力，同时将无机粉体复合在石墨烯中形成石墨烯复合微片，无需分离。从而实现连续、稳定、环保、高效地制备石墨烯复合材料，进一步推动了石墨烯材料的大规模产业化生产。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种利用涡轮砂磨机剥离制备石墨烯微片的方法，具体方法如下：

（1）将8-20重量份石墨原料、3-5重量份的无机矿物粉体、1.5-5重量份的铵盐和0.5-5重量份的分散剂在高速混合机中以300-500rpm的转速混合分散10-25min，得到预混物；

（2）将步骤（1）得到的预混物加入75-90重量份的溶剂、0.5-1重量份的稳定剂充分搅拌，至所述石墨原料在溶剂中分散均匀形成悬浊液，其中，所述的溶剂为去离子水、四氢呋喃、氯仿、乙醇、丙酮中的至少一种或几种；