[发明专利]一种反应自增压膨胀技术制备膨胀填料的方法

说明书

本发明公开了一种反应自增压膨胀技术制备膨胀填料的方法。所述制备方法为：首先利用非氧化性质子酸对层状填料进行插层处理，以增加层状填料片层间的间距从而便于后期气体的层间扩散；进而加入无机碳酸盐与质子酸反应产生气体，通过温度和压力的调控来实现气体对插层填料的有效膨胀，制得膨胀填料。以该膨胀填料为原料，能够提高液相剥离法制备二维纳米填料的产量和产率。

技术领域

本发明涉及二维纳米填料制备领域，具体涉及一种反应自增压膨胀技术制备膨胀填料的方法，以该膨胀填料为原料，能够提高液相剥离法制备二维纳米填料的产率。

背景技术

以石墨烯为代表的二维纳米填料，因其独一无二的片层结构和优异的性能而在复合材料、能源环境、生物医学、微电子等诸多领域表现出了巨大的应用潜力。而低成本宏量制备高品质二维纳米填料是支撑所有应用的前提。然而，迄今为止，尚没有兼具高产率(原料转化率)和高产量(单位体积和时间能够制备的石墨烯质量)的二维纳米填料的制备方法，导致二维纳米填料的价格居高不下，极大地限制了二维纳米填料的发展。液相剥离法是制备二维纳米填料的最常用方法。较之化学合成法，不仅产量较高，而且制备工艺环保。以石墨烯的制备为例，氧化石墨法和液相剥离法是目前商品化石墨烯的两种主要制备方法。对于氧化石墨法来说，在石墨氧化过程中需要用到大量的强酸、强氧化剂等高危试剂，存在严重的安全隐患和环境污染，后期氧化石墨烯的洗涤纯化过程低效繁琐，导致石墨烯的产量低至～10^-2g·L^-1·h^-1；而对于液相剥离法来说，仅靠超声或剪切就可以从石墨中剥离制得石墨烯，石墨烯的产量可达0.1g·L^-1·h^-1以上。美中不足的是，该方法的石墨烯产率却低于5％【Adv.Mater.,2018,30,1803784；Nat.Sci.Rev.,2018,5,90-101；Nat.Mater.,2014,13,624-630.】。究其主要原因是主要有两方面，一方面层状填料的片层间吸引力较高，另一方面，层状填料的粒径随着超声或剪切过程的延长而迅速下降，导致其吸收超声或剪切能的效率下降【ACS Sustainable Chem.Eng.,2018,6,7652-7661】。

提高层状填料的层间距，不仅能够降低层状填料层与层之间的吸引力，而且便于超声波在层间的空化效应或流体在层间的剪切作用，从而使层状填料在短时间内便可以实现高效剥离，最终提高二维纳米填料的产率和产量。超临界二氧化碳技术是目前层状填料膨胀领域的研究热点。然而，该技术不仅需要首先制备二氧化碳，而且超临界条件的实现需要较低的温度或者较高的压力，存在设备投资大、能耗高和效率低等缺点【Adv.Funct.Mater.,2018,28,1706705.】。

综上，发展一种低成本高效的层状填料膨胀技术对于实现二维纳米填料的高产率和高产量的制备具有重要的现实意义。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种低成本、绿色、易控的膨胀填料制备方法。其解决了现有层状填料膨胀过程工艺成本高，或膨胀气体为有害气体的问题。

本发明的基本原理是：首先利用非氧化性质子酸对层状填料进行插层处理，以增加层状填料片层间的间距从而便于后期气体的层间扩散；进而加入无机碳酸盐与质子酸反应产生气体，通过温度和压力的调控来实现气体对插层填料的有效膨胀。

本发明具体的技术方案如下：

一种反应自增压膨胀技术制备膨胀填料的方法，具体包括以下步骤：

1)层状填料的插层处理：以非氧化性质子酸为插层剂，对层状填料进行插层处理，得到插层填料，以增加层状填料的层间距，降低层与层之间的作用力。所述非氧化性质子酸为：浓硫酸、发烟硫酸、浓磷酸、甲基磺酸、乙基磺酸、丙基磺酸、苯磺酸、二氯乙酸、烷基磺酸及它们的衍生物中的至少一种。所述层状填料为：黏土、石墨、氮化硼、黑磷、金属化合物及它们的衍生物中的至少一种。