[发明专利]改性聚乙烯醇石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明方法涉及材料技术领域，具体为改性聚乙烯醇石墨烯及其制备方法和应用。由以下方法制备所得，使石墨在含有改性聚乙烯醇的溶剂中通过外作用剥离，形成更薄的石墨烯颗粒，所述的石墨烯颗粒包括形成单层石墨烯、多层石墨烯、纳米石墨片；然后将剥离的石墨烯颗粒分离出来得到改性聚乙烯醇石墨烯；所述的外力包括剪切力、离心力，旋转力，流体力。通过以上方法得到的石墨烯，具有纯度高，质量好，石墨烯层数低的优点，用于薄膜或者纤维加工，或者用于高分子材料的改性。

技术领域

本发明方法涉及材料技术领域，具体为改性聚乙烯醇石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是只有一个原子厚度的二维材料，其突出的性能(尤其是力学性能和电学性能，也包括光学性能)使其成为应用于下一代电子元件的潜力材料，并且还适合作为填料应用于多种行业。

石墨烯可以通过不同的方法制备，最常见的是：液相剥离法，气相沉积法，氧化还原法，微机械剥离法，外延生长法等。根据应用目标，每种不同的方法制备的石墨烯都有不同的用途。对于聚合物复合材料，石墨烯需求量大，质量可以是中等的。但一些应用必须要求高质量的石墨烯，例如油墨，电池电解质，电容器，电子部件，其表面即使存在少量的氧化或官能化可能降低其性能。目前生产高质量石墨烯的成本太高，阻碍了石墨烯的商业化发展，近10年来，为了获得纯度高，不含氧原子且功能化的石墨烯，并且产量高，可以在工业设备上大量生产，科学家们一直在寻求最佳的制备方法。

有许多从石墨获得单层或几层石墨烯的方法，其中的一种是在液体中通过超声的剪切作用剥离，如已发表的Hernandez,Y.,Nicolosi,V.,Lotya,M.,Blighe,F.M.,Sun,Z.,De,S.,McGovern,I.T.,Holland,B.,Byrne,M.,Gun'Ko,Y.K.and Boland,J.J.,2008.High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite.Naturenanotechnology,3(9),pp.563-568，或Paton,K.R.,Varrla,E.,Backes,C.,Smith,R.J.,Khan,U.,O’Neill,A.,Boland,C.,Lotya,M.,Istrate,O.M.,King,P.and Higgins,T.,2014.Scalable production of large quantities of defect-free few-layergraphene by shear exfoliation in liquids.Nature materials,13(6),pp.624-630。然而，选择有机溶剂作为剥离介质限制了其大规模的生产，特别是当前社会对环保要求越来越高。而使用水和表面活性剂可以克服这个问题，但是表面活性剂分子的存在影响了石墨烯的性质，从而限制了其在聚合物复合材料中的使用，为了克服这些限制，需要进行提纯和长时间洗涤以从石墨烯表面去除不想要的表面活性分子。

寻找更合适的表面活性剂，使其可以同时实现大范围剥离石墨烯之前并减少纯化处理的次数和级别，变得越来越势在必行。例如，一些已经公开的工作显示出了聚乙烯醇(PVOH)在剥离石墨烯的一些潜力。例如May,P.,Khan,U.,O'Neill,A.,Coleman,J.N.(2012).Approaching the theoretical limit for reinforcing polymers withgraphene.Journal of Materials Chemistry,22(4),1278-1282。然而，生产出的石墨烯的产量和总体质量方面的受到局限。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种改性聚乙烯醇mPVOH作为表面活性剂将石墨剥离成石墨烯的方法。所获得的产物是少量多层石墨烯、少量纳米石墨片和大量单层石墨烯的混合物，石墨烯的表面没有任何改性并且在剥离液体中能很好地稳定。

具体技术方案为：