一種高速分散剝離白石墨烯的方法與流程
本發明涉及納米材料領域，具體涉及一種高速分散剝離白石墨烯的方法。
背景技術：
石墨烯的發現引發了科學界對二維材料的研究熱潮。二維材料具有高的比強度、良好的電學和熱學性能、良好的透光性等，引發了科學界對其進行廣泛的研究。過度金屬硫化物、h-BN、硅烯、高嶺石等一系列的二維材料被開發出來，這些產品具有優異的性能使得其在工業上的應用被人們賦予廣泛的期待。h-BN作為一種新型的二維材料，同樣具備優良的性能。
白石墨烯結構與石墨烯結構類似：其本質是單層或者六方結構的二維結構，sp2雜化的B、N原子按1:1形成共價結合，其在第三維方向上層與層之間通過范德華力結合。
由于h-BN摩擦系數低，在工業上常作為一種性能優良的潤滑劑而被廣泛應用。并且BN也因力學性能良好以及熱穩定性能好而被人們所熟知。二維h-BN材料由于其特殊的結構，具備極高的機械強度；禁帶寬度寬，是一種良好的絕緣體，且具極好的化學穩定性：在1000℃以上空氣中能夠穩定存在；具高的熱導率：是目前熱導率最高的材料之一，在很多領域，如光電子、磁能、儲能、催化等領域具有廣闊的應用前景。
h-BN二維材料具備諸多優良的性能及廣泛的應用前景，但目前尚不能大規模制備具備結構完整、性能良好的h-BN二維材料。傳統微機械剝離，是采用膠帶將h-BN剝離，所制備的h-BN雖然結構完整但產量過低，不適宜工業大規模生產；化學液相剝離等常用到有毒有害的有機溶劑，且氧化及離子嵌入等對其物理結構及電子結構有一定影響，所制備得的h-BN電學性能不佳。化學氣相沉積法能夠準確控制h-BN層數，所制備的h-BN質量好，但其成本高昂。可見，現有的白石墨烯制備方法，尚缺乏能兼顧石墨烯的質量和工業化生產的要求，這極大地限制了其應用。如何經濟地生產性能優良白石墨烯也是目前其研究的重點之一，此外，由于白石墨烯存在巨大的比表面積而具備極高范德華力，導致白石墨烯片易產生不可逆的團聚，因此提高其分散性同樣對其應用具有較大的意義。
技術實現要素：
有鑒于此，有必要針對上述的問題，提供一種高速分散剝離白石墨烯的方法，該方法能有效剝離白石墨烯顆粒，所制備得的白石墨烯具有顆粒均勻、層數少、比表面積大、純度高的特點，能很好的分散在酒精等溶劑中，保存數十天不產生團聚沉降作用。且該方法操作過程簡單，成本低，適合應用于工業生產。
為實現上述目的，本發明采取以下的技術方案：
本發明的高速分散剝離白石墨烯的方法，具體步驟為：
步驟1)將白石墨烯(h-BN)粉末、表面活性劑、分散介質混合溶解后，采用攪拌速度為5000-18000rpm進行攪拌剝離，攪拌過程采用冰水降低體系溫度，總攪拌時間為10-240h；
所述白石墨烯(h-BN)粉末與表面活性劑的質量比為1:50-10:1；所述白石墨烯(h-BN)與分散介質加入質量比為1:100-1:2000；
步驟2)研磨完成后，所得粉體采用酒精洗滌，離心分離，然后烘干干燥，得到剝離后的白石墨烯分散體。
根據液相剝離理論，分散介質的表面能接近白石墨烯的表面能(25-40mJ/m2)時，液相剝離具有最佳的效率和質量。
由于h-BN存在π鍵，且B、N原子分別帶微弱正電、負點，此特性使其能夠吸附表面活性劑。表面活性劑在h-BN上的充分吸附能形成空間位阻和電荷位阻，防止分離的h-BN納米片團聚、促進剝離。
本發明攪拌剝離足夠長時間后，所制備得的白石墨烯分散體能長時間的分散在酒精、丙酮等水溶液中，不產生團聚沉降等現象。
進一步的，所述分散介質為低分子量醇和/或酮的水溶液。
作為優選的，所述分散介質的表面張力約為25-40mJ/m2。
作為優選的，所述低分子量醇和/或酮的水溶液，為低分子量醇和/或酮與水的質量比為1:10-2:1，更優選1:5-2:1。
作為優選的，所述低分子量醇為：甲醇、乙醇、異丙醇、叔丁醇、乙二醇等中的至少一種；所述低分子量酮為丙酮。
進一步的，所述表面活性劑為具長鏈路易斯酸或長鏈路易斯堿的表面活性劑中的至少一種。
作為優選的，所述表面活性劑為具長鏈路易斯酸的高級脂肪酸、酮、醛等及其相應衍生物中的至少一種；或具長鏈路易斯堿的烯烴、芳香化合物、胺、醚等中的至少一種。
作為進一步優選，所述長鏈路易斯酸的表面活性劑為：棕櫚酸、軟脂酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、軟脂酸、十八酮、3-甲基環十三酮、環十四烷酮，3-十六酮、棕櫚醛、椰子醛、二十烷醛等中的至少一種；
所述長鏈路易斯堿的表面活性劑為：十八胺、油胺、端胺基聚乙二醇、聚苯乙炔、聚噻吩、聚苯乙烯磺酸鈉、十二烷基苯、4-十二烷基苯胺、聚氧乙烯辛烷基苯酚醚、縮水甘油12-14烷基醚、六聚乙二醇單十六醚、四乙烯甘醇單十四醚、六聚乙二醇單十四醚等中的至少一種。
本發明的有益效果為：
本發明方法所制備的白石墨烯分散體粒徑大、厚度薄、比表面積大：厚度均小于10nm，并且薄片的厚度可低至1個納米，粒徑尺寸分布在數百納米至數微米，比表面積高達100-1500m2/g。
本發明制備過程中無強酸堿、有毒有害添加劑等，綠色環保，生產效率高、產量大，且設備簡單、成本低廉，具有良好的應用前景。
附圖說明
圖1為實施例1所制備得的白石墨烯分散體的SEM照片；
圖2為實施例1所制備得的白石墨烯分散體的AFM照片。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例，對本發明的技術方案作進一步清楚、完整地描述。需要說明的是，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
實施例1
本實施例具體制備工藝步驟：稱量0.2g白石墨烯(h-BN)于燒杯中、加入150g乙醇和150g去離子水，量取4g環十四烷酮，加入燒杯中，攪拌使之完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以10000rpm高速攪拌72h，并以冰水降低體系溫度，以防止高速攪拌導致溫度升高，分散介質損失過快。
攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
圖1為本實施例所制得產品的SEM照片，從中可以看出通過攪拌剝離，剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度均低于10nm；圖2為原子力顯微鏡檢測照片，圖中大部分薄片厚度為2nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通過檢測比表面積為470m2/g。
實施例2
本實施例具體制備工藝步驟：稱量0.5g白石墨烯(h-BN)、200g乙醇和200g去離子水于燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻。量取10g油酸，放入燒杯中，攪拌使其完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以13000rpm高速攪拌48h，并以冰水降低體系溫度。
攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度為3nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通過檢測比表面積為350m2/g。
實施例3
本實施例具體制備工藝步驟：稱量0.2g白石墨烯(h-BN)、100g丙酮和100g去離子水于燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻。量取2g十八胺于燒杯中，同樣攪拌使其完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以13000rpm高速攪拌24h，并以冰水降低體系溫度。
攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度為5nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通過檢測比表面積為200m2/g。
實施例4
本實施例具體制備工藝步驟：稱量0.5g白石墨烯(h-BN)、150g丙酮和150g去離子水，量取4g環十四烷酮，加入燒杯中，攪拌使其完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以15000rpm高速攪拌15h，并以冰水降低體系溫度。
攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度為4nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通過檢測比表面積為230m2/g。
實施例5
本實施例具體制備工藝步驟：稱量0.2g白石墨烯(h-BN)、100g丙酮和200g去離子水，量取4g4-十二烷基苯胺，放入燒杯中，攪拌使之完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以18000rpm高速攪拌12h，并以冰水降低體系溫度。
攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度為5nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通過檢測比表面積為250m2/g。
實施例6
本實施例具體制備工藝步驟：稱量0.2g白石墨烯(h-BN)、100g異丙醇和50g去離子水，量取4g軟脂酸、4g椰子醛，放入燒杯中，攪拌使之完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以10000rpm高速攪拌60h，并以冰水降低體系溫度。
攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度為2nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通過檢測比表面積為480m2/g。
實施例7
本實施例具體制備工藝步驟：稱量5g白石墨烯(h-BN)、1000甲醇、500g丙酮和1500g去離子水，量取1g六聚乙二醇單十六醚，放入燒杯中，攪拌使之完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以8000rpm高速攪拌160h，并以冰水降低體系溫度。
攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度為2nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通過檢測比表面積為740m2/g。
實施例8
本實施例具體制備工藝步驟：稱量5g白石墨烯(h-BN)、2000乙醇、500g叔丁醇和2000g去離子水，量取1g油胺、1g縮水甘油12-14烷基醚，放入燒杯中，攪拌使之完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以6000rpm高速攪拌220h，并以冰水降低體系溫度。
攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度均低于10nm；大部分薄片厚度為2nm，部分h-BN厚度可低至1nm左右。通過檢測比表面積為600m2/g。
對比例1
本實施例具體制備工藝步驟：稱量0.2g白石墨烯(h-BN)于燒杯中、加入150g乙醇和150g去離子水，量取4g環十四烷酮，加入燒杯中，攪拌使之完全溶解。
將上述所配溶液用高速分散機以10000rpm高速攪拌5h，并以冰水降低體系溫度。攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度大部分大于20nm；部分薄片厚度為50nm，部分h-BN厚度可低至5nm左右。通過檢測比表面積為60m2/g。
對比例2
本實施例具體制備工藝步驟：稱量0.2g白石墨烯(h-BN)于燒杯中、加入150g乙醇和150g去離子水，不加表面活性劑。
將上述所配溶液用高速分散機以10000rpm高速攪拌80h，并以冰水降低體系溫度。攪拌剝離完畢后將白石墨烯經過酒精洗滌后離心分離，在馬弗爐中60℃烘干處理得到白石墨烯分散體產品。
剝離后的白石墨烯納米片粒徑大于250nm，納米片厚度大部分大于20nm；部分薄片厚度為50nm，部分h-BN厚度可低至5nm左右。通過檢測比表面積為30m2/g。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
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