[发明专利]一种密炼机剥离制备石墨烯前驱体的方法及石墨烯前驱体

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及一种密炼机剥离制备石墨烯前驱体的方法及石墨烯前驱体。

背景技术

石墨烯 (graphene)，是一种由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，仅有一个碳原子厚度的二维材料。2004 年英国曼彻斯特大学Andre Geim与Konstantin Novoselov成功利用胶带剥离石墨的方式，证实可得到单层石墨烯，并获得2010年的诺贝尔物理奖。石墨烯是目前世界上最薄也是最坚硬的材料，导热系数高于纳米碳管与金刚石，常温下其电子迁移率亦比纳米碳管或硅晶体高，电阻率比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。因此，开发低成本、高产率制备高质量石墨烯的方法成为商业应用的前提，也是研究关键之所在。

石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、氧化插层再还原法、液相剥离法、机械剥离法。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；氧化插层再还原法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。相比之下，机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。

中国发明专利申请号201280019582.7公开了一种制备石墨烯的方法，将石墨通过研磨、球磨、气流磨等借助离子液体研磨0.5-4个小时获得石墨烯。借助离子液促进了石墨的剥离，但采用长时间的研磨获得的石墨烯晶体尺寸小，而且借助离子液会使石墨烯层晶格受到影响。

中国发明专利申请号 201410260297.5公开了一种石墨烯的制备方法，将柠檬酸和/或草酸及其羧酸衍生物中的一种或一种以上的混合物等羧化剂作为石墨插层试剂进行球磨，但是使墨在羧化剂的插层作用下虽然能够减薄剥离，但是由于研磨对石墨施加压力，对剥离的石墨产生巨大的冲击力，这种冲击力会使石墨烯层产生结构缺陷，极易造成石墨烯层结构晶格缺陷，并且制备的石墨烯被羧化，产物需要进行再次处理。

中国发明专利申请号201410717660.1公开了一种水相剪切剥离制备石墨烯的方法，将原料石墨采用化学氧化插层或电化学插层的方法进行插层处理，使插层剂进入石墨层间，制备石墨插层化合物，后续采用剪切搅拌器搅拌进而制备获得石墨烯。由于该方案中采用了硫酸、硝酸、高氯酸等强氧化剂作为插层剂，经过化学反应获得石墨插层化合物，此法得到的石墨烯常有缺陷，影响石墨烯的导电性能，且会造成环境污染，限制了该法大规模的工业化应用。

根据上述，通过机械方式反复地研磨尽管获得了石墨烯，但是由于受到研磨压应力的作用，研磨撞击对石墨晶格造成一定的破坏，由于研磨对石墨施加压力，对剥离的石墨产生巨大的冲击力，这种冲击力会使石墨烯层产生结构缺陷，极易造成石墨烯层结构晶格缺陷，降低剥离后石墨烯的质量，此外，为了提高机械剥离效率，在机械处理之前对石墨进行插层处理过程中发生化学反应，容易破坏石墨烯结构，污染环境，不易于制备高质量石墨烯，难以实现规模化工业生产。

发明内容

针对目前的对石墨机械剥离的方案中面临的上述问题，本发明提出一种密炼机剥离制备石墨烯前驱体的方法及石墨烯前驱体，通过将石墨在过量插层剂的水分散液中长时间浸润处理后，将呈湿润状的插层石墨与适量糖类物质混均送入密炼机，通过密炼机的剪切和拉伸，使石墨在糖类物质的粘接作用下被胶粘、拉伸、剪切剥离得到石墨烯前驱体与糖的混合物，然后经清洗、干燥得到石墨烯前驱体。本发明制备的前驱体是用于制备石墨烯的最佳原料，易于剥离成石墨烯。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一方面提供一种密炼机剥离制备石墨烯前驱体的方法，所述方法包括如下步骤：

（1）以石墨粉作为原料，将所述原料和过量插层剂置于含有分散剂的去离子水中，所述原料与所述过量插层剂、所述含有分散剂的去离子水三者的质量比为1:（0.8-2）:（5-20），搅拌混合溶液至原料均匀分布，对所述混合溶液进行超声处理，设置超声功率为10-200KW，超声处理2-30小时，得到浸润的石墨粉分散液；

（2）将浸润的石墨粉分散液进行离心处理，过滤得到湿润的石墨粉，将湿润的石墨粉与糖类物质搅拌共混，所述湿润的石墨粉与糖类物质的质量比为1:4-20，得到石墨粉/糖混合物；