[发明专利]碳材料分散剂及其制备方法以及含有该分散剂的稳定的碳材料的水性分散体

说明书

本发明涉及碳材料分散剂及其制备方法以及含有该分散剂的稳定的碳材料的水性分散体。具体地，分散剂适于分散具有石墨烯结构的碳材料，包含两亲性超支化聚合物，所述聚合物具有含有胺基的骨架结构和共价键合到所述骨架结构上的与石墨烯结构非共价缔合的单环、多环、稠环或杂环芳基。所述碳材料分散剂的制备是通过如下实现的：i)使多缩水甘油基化合物与多官能度胺进行反应，从而形成末端带有仲胺基的超支化聚合物，其中，所述多官能度胺的氨基氢相对于所述多缩水甘油基化合物的缩水甘油基摩尔过量；和ii)经由与仲胺基的反应将与石墨烯结构非共价缔合的单环、多环、稠环或杂环芳基引入所述超支化聚合物，从而形成包含两亲性超支化聚合物的分散剂。

技术领域

本发明涉及一种碳材料分散剂及其制备方法。本发明还涉及一种含有上述碳材料分散剂的稳定的碳材料的水性分散体及其在各种领域中的应用。本发明还额外地涉及一种两亲性超支化聚合物。

背景技术

碳材料，尤其是具有石墨烯结构的碳材料，由于其特有的结构，具有极高的应用价值。作为这类碳材料的典型代表，石墨烯是一种由碳原子以 sp²杂化方式形成的正六边形蜂窝点阵结构的二维晶体材料，其厚度仅为一个或几个碳原子厚。这种有序超薄的二维结构赋予了石墨烯如下优异的物理、化学性能：轻质、低密度、高化学稳定性和高比表面积，使得其成为理想的储氢材料；高导电性、高强度、超轻薄等特性，使得其在超轻型飞机，超轻防弹衣，航空航天领域具有重大的应用前景；优异的力学性能、超强高韧性、高光学透明性、高导电导热性，使得其在柔性器件、感光元件、传感器、液晶显示、透明电导电极等领域具有广阔的应用前景。因此，石墨烯又被称为“新材料之王”。为了获得石墨烯的各项优异性能，制备出高质量的石墨烯二维纳米片层成为至关重要的一环。

目前，发展起来的用于制备石墨烯的方法主要包括外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法、化学合成法、物理剥离法等。然而，这些方法或多或少都存在一些缺陷，不能满足工业规模化生产。例如，外延生长法和气相沉积法对温度、设备要求较高，限制了其应用范围。氧化还原法虽然具有操作简单、产量高等优点，但制得的石墨烯不可避免地存在结构上的缺陷，导致产品质量较低，并且硫酸、硝酸等强酸的使用存在较大的危险性及污染性。而且，由于氧化还原工艺的特殊性，所得产品的氧含量难以控制，使得其在随后的储存及运输过程中存在被进一步还原的可能性，因而产品质量难以得到保证。化学合成法的成本较高，无法大规模量化生产，产品性能不可控(Chem.-Eur.J.2002,8,1424.)。

与前述方法相比，物理剥离法由于其工艺相对简单、产品质量可控等优点成为最受关注的方法。物理剥离法包括固相剥离(即，机械剥离)和液相剥离法。机械剥离是指直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。这种方法虽然可以得到单层石墨烯，但所得到的石墨烯片层尺寸不易控制，生产效率极低，难以实现大规模制备。液相剥离是指将体相粉末与有机溶剂(如，N-甲基吡咯烷酮(NMP))、表面活性剂(如，胆酸钠、十二烷基磺酸钠等)水溶液或离子液体形成的各个体系通过超声、剪切等手段，将粉体材料剥离为二维纳米片层。这种方法虽然操作简单、便捷、成本低，但剥离体系具有各自的缺陷，诸如所用到的有机溶剂毒性较大，表面活性剂剥离效率低下，离子液体危险。而且，液相剥离通常还需要预处理、高温还原等繁琐的步骤(如CN 104692363 B所公开的)，利用超声法导致产品结构完整性变差，并且难以实现工业化生产。

因此，工业中仍然需要改进的用于制备碳材料的水性分散体的方法。

发明内容

本发明的一个目的在于：提供一种适于采用规模化工艺来制备而没有上述已有缺陷的碳材料的水性分散体。