一種烷基化功能石墨烯的制備方法及其應用技術

本發明專利技術涉及一種烷基化功能石墨烯的制備方法及其應用。將通過改進Hummers方法制備的氧化石墨烯按化學計量比分散于不同比例的酮類小分子化合物與水混合溶液中（0.1mg/mL～5mg/mL），在室溫下進行超聲振蕩剝離1～8h，分離得到功能化石墨烯；以該功能化石墨烯，PA66為原料，通過熔融共混法獲得石墨烯/PA66納米復合材料，其中復合材料中的功能化石墨烯重量百分含量為0.01%～1%。本發明專利技術提供的改性石墨烯的制備方法簡便快捷，能顯著改善石墨烯在聚合物基體中的分散性，同時，本發明專利技術還公布了石墨烯/PA666基納米復合材料的制備方法，制得的納米復合材料的機械性能、抗靜電性、吸潮性以及熱穩性能明顯提升。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種烷基化功能石墨烯的制備方法及其應用，屬于納米新材料及應用領域。
技術介紹
伴隨著科技的日新月異的快速發展，傳統的單一材料已經越來越不能滿足工業領域的需求，社會的需求對材料的要求提出了更加苛刻的標準，因此，這也要求科研人員研制出性能更加優異或新性能的材料。尼龍66 (PA66)作為工程塑料使用始于1956年[鄧如生，魏遠方，陳步寧.聚酰胺樹脂及其應用，北京，化學化工出版社，2002:1]，它由于眾多優點而被廣泛應用于汽車、交通運輸及電子電氣等領域，但存在吸水性大、耐酸性差、耐候性不佳以及吸水后變形等缺點，從而限制了其應用領域。納米復合材料由于納米材料的加入能改變其微觀界面從而提升材料的綜合性能，因此，開發新型具備高性能納米復合材料，拓寬材料的應用領域以滿足未來發展的材料應用需求。石墨烯是于2004年被發現的單原子層的碳原子經過sp2雜化形成的新型二維納米材料[K.S.Novoselov, A.K.Geim, et al.Science, 2004, 306(5696): 666-669]，由于其獨特的結構與性能，興起了材料界的技術革命。石墨烯極其優異的綜合性能賦予石墨烯作為納米增強填料用于復合材料的無限潛力，近年來已有不少文獻報道，要使石墨烯對樹脂基體起到很好的增強效果，就要求石墨烯能夠良好的分散于樹脂基體中，與樹脂基體有良好的界面結合，然而，因為石墨烯本身結構的特性，使其極易團聚，很難均勻分散于樹脂基體中。Ruffo 等[S.Stankovich, D.A.Dikin, G.H.B.Dommett, et al.Nature,442 (2006) 282-286]率先制備了石墨烯-聚苯乙烯納米復合導電材料，他們使用苯基異氰酸酯對氧化石墨烯進行功能化，然后將其均勻分散在聚苯乙烯溶液中，加入二甲肼進行還原，獲得了具備導電性的納米復合材料。隨后，他們[S.Stankovich, R.D.Piner, X.Chen, et al.Journal of Materials Chemis try, 16 (2006) 155-158]利用聚對苯乙烯磺酸鈉(PSS)對氧化石墨烯進行改性，借助它們之間的一 JI鍵的相互作用，改善了石墨烯的團聚現象。隨后，Brinson等[Τ.Ramanathan, A.A.Abdala, S.Stankovich, et al.Nature Nanotechnology 3(2008) 327-331]研究了石墨烯-聚丙烯腈以及石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯納米復合材料的性能，結果發現，在上述2個體系中加入1%和0.05%的石墨烯后，2個體系的玻璃化轉變溫度以及模量、拉伸強度和熱分解溫度都得到大幅提高。此外，還可以通過將原子轉移自由基聚合(ATRP)引發劑鍵合到石墨烯上，隨后的ATRP反應使聚苯乙烯鏈接枝到石墨烯，接枝的聚合物能顯著提高石墨烯在有機溶劑里的溶解，而且引入石墨烯后的聚合物基體，機械性能得到了較大提升。隨著石墨烯/聚合物復合材料研究的不斷深入，其應用范圍以及帶來的性能提升將被進一步開發，但是石墨烯在樹脂基體中的分散性差，與聚合物之間的界面結合弱，始終未得到很好的解決，從而影響了石墨烯本身的各種優異性能不能得到最大的發揮。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種功能石墨烯的制備方法及其應用，所述功能石墨烯具有烷基化可控，與聚合物樹脂基體相容性好等優點，同時，所述的PA66基納米復合材料具有優秀的機械性能、抗靜電性、吸潮性以及熱穩性能。該新型功能石墨烯的制備方法簡單，可靠，成本低，而PA66基納米復合材料能制備高濃度的復合材料母料。本專利技術涉及的功能石墨烯其表面上以化學鍵合方式吸附脂肪族酮類化合物，吸附的烷基鏈長可控；其中獲得的PA66基納米復合材料，功能石墨烯含量濃度較高，分散均勻，可用作母料。本專利技術提出的一種功能石墨烯的制備方法，具體步驟如下: (1)通過改進Hummers方法獲得氧化石墨烯,其單層氧化石墨烯含量占90%以上； (2)將步驟(I)獲得的氧化石墨烯按化學計量比分散于酮類小分子化合物與水混合溶液或酮類小分子化合物與乙醇混合溶液中，在40kHz功率300W下超聲剝離處理l 8h，分離獲得烷基化程度可控的功能石墨烯分散液； (3)將步驟(2)獲得的功能石墨烯分散液置于乙醇-水溶液中，洗滌并于10000轉/分速度下離心，最后將沉淀物冷凍干燥，制備獲得功能石墨烯。本專利技術中，步驟(2)中所述氧化石墨烯按化學計量分散于酮類小分子化合物，其化學計量為0.1 10mg/mL。本專利技術中，步驟(2)中所述酮類小分子化合物為脂肪酮類化合物。本專利技術中，所述脂肪酮類化合物為丙酮、丁酮、2-戊酮、2-已酮、2-庚酮、2-辛酮、 2-壬酮或2-十三酮中的一種以上。本專利技術中，步驟(2)中所述酮類小分子化合物與水或乙醇的體積比為1:0 10:1。本專利技術中，步驟(2)中制得的烷基化功能石墨烯中脂肪酮類化合物以化學鍵合方式吸附于氧化石墨烯表面上的缺陷結構或拓撲結構，化學吸附的脂肪酮類化合物含量為0.1 1%。本專利技術方法得到的烷基化功能石墨烯作為聚合物基復合材料填料的應用。本專利技術中，烷基化功能石墨烯作為功能石墨烯/PA66基納米復合材料的應用，具體步驟如下: (I)將烷基化功能石墨烯與50%尼龍66鹽的水溶液按重量比為1:10混合，超聲處理，通過原位聚合法制得功能石墨烯/PA66母料。(2)將步驟(I)獲得的功能石墨烯/PA66母料與PA66樹脂通過高速粉碎機混合均勻，其中:功能石墨烯與PA66樹脂的重量比為:(0.1 2): (98 99.9);然后經過熔融共混擠出獲得含功能石墨烯的PA66基納米復合材料。與現有技術相比，本專利技術提供的新型烷基化功能石墨的制備方法及其PA66基納米復合材料的制備方法具有以下幾種有點:1.本專利技術涉及的新型烷基化功能石墨烯的制備方法屬于一步法，簡單易行，所用的溶劑能回收，不僅大大降低了成本而且避免環境污染；另一方面，通過此法制備的功能石墨烯其烷基修飾程度較高。2.制備的烷基化功能石墨烯表面上的脂肪碳鏈是以化學鍵合方式吸附于石墨烯表面，這使得功能石墨烯的化學穩定性提升。3.獲得的燒基化功能石墨稀與PA66樹脂基體有良好的相容性,大大提聞了納米填料與聚合物間的界面結合程度，從而能發揮出石墨烯本身在復合材料中的優異性能。4.本專利技術采用原位聚合法制備了高濃度含量的功能石墨烯/PA66母料，這進一步改善了后期制備復合材料的可加工型，且制得的復合材料較現有的PA66復合材料具有更優秀的綜合性能，特別是機械性能。附圖說明圖1為本專利技術的烷基化功能石墨烯的FTIR譜圖，其中:a，氧化石墨烯；b，丙酮處理的功能石墨烯(實施例l);c，2-戊酮處理的功能石墨烯(實施例2);d，2-壬酮處理的功能石墨烯(實施例4) ；e, 2-十三酮處理的功能石墨烯(實施例6)。圖2為本專利技術的烷基化功能石墨烯粉末的接觸角照片，其中:a，氧化石墨烯；b，丙酮處理的功能石墨烯(實施例l);c，2-戊酮處理的功能石墨烯(實施例2);d，2-辛酮處理的功能石墨烯(實施例5);e，2-壬酮處理的功能石墨烯(實施例4);f，2-十三酮處理的功能石墨烯(實施例6)。圖3為本專利技術的功能石墨烯/PA本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種烷基化功能石墨烯的制備方法，其特征在于具體步驟如下：（1）通過改進Hummers方法獲得氧化石墨烯，其單層氧化石墨烯含量占90%以上；（2）將步驟（1）獲得的氧化石墨烯按化學計量比分散于酮類小分子化合物與水混合溶液或酮類小分子化合物與乙醇混合溶液中，在40kHz功率300W下超聲剝離處理1~8h，分離獲得烷基化程度可控的功能石墨烯分散液；（3）將步驟（2）獲得的功能石墨烯分散液置于乙醇?水溶液中，洗滌并于10000轉/分速度下離心，最后將沉淀物冷凍干燥，制備獲得功能石墨烯。

【技術特征摘要】
1.一種烷基化功能石墨烯的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)通過改進Hummers方法獲得氧化石墨烯,其單層氧化石墨烯含量占90%以上； (2)將步驟(I)獲得的氧化石墨烯按化學計量比分散于酮類小分子化合物與水混合溶液或酮類小分子化合物與乙醇混合溶液中，在40kHz功率300W下超聲剝離處理l 8h，分離獲得烷基化程度可控的功能石墨烯分散液； (3)將步驟(2)獲得的功能石墨烯分散液置于乙醇-水溶液中，洗滌并于10000轉/分速度下離心，最后將沉淀物冷凍干燥，制備獲得功能石墨烯。2.根據權利要求1所述的烷基化功能石墨烯的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述氧化石墨烯按化學計量分散于酮類小分子化合物，其化學計量為0.1 10mg/mL。3.根據權利要求1所述的烷基化功能石墨烯的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述酮類小分子化合物為脂肪酮類化合物。4.根據權利要求3所述的烷基化功能石墨烯的制備方法，其特征在于所述脂肪酮類企王化合物為脂肪酮類化合物，包括丙酮、丁酮、2-戊酮、2-已酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮或...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王國建，戴進峰，吳承懇，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：