專利名稱：利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化石墨烯的表面修飾改性技術及其在水和眾多有機溶劑中的 分散技術。特別是能通過改變有機鏈段實現功能性氧化石墨烯溶劑分散性能的可控性，且 能在低極性、低沸點溶劑中得到分散的一種氧化石墨烯及其制備方法。
背景技術：
石墨烯是是構建零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨的基本單元，具備獨特的載 流子特性和優異的電學性能。2004年，Andre K. Geim研究組成功制備了單原子層和有限原 子層厚的石墨層。自此，石墨烯已成為物理學、化學、材料學領域的國際熱點課題之一。其中，一個最具有吸引力的領域就是把石墨烯均勻的摻雜到高分子體系中，構建 以碳為基底的復合納米材料，實現其可控功能化。然而，結構完整的石墨烯是由不含任何 不穩定鍵的苯六元環組合而成的二維晶體，化學穩定性高，其表面呈惰性狀態，與其他介質 (如溶劑等)的相互作用較弱，并且石墨烯片與片之間有較強的范德華力，容易產生聚集， 使其難溶于水及常用的有機溶劑，這給石墨烯的進一步研究和應用造成了極大的困難。氧化石墨烯(graphene oxide)是石墨烯的重要派生物，它的結構與石墨烯大體 相同，只是在一層碳原子構成的二維空間無限延伸的基面上連有羰基、羥基、羧基等的官能 團。理論上認為完美的石墨烯表面無任何含氧功能團，而氧化石墨烯表面含有大量功能性 基團，如-OH、-C00H、-0-、C = O等，這些功能性基團的存在，使得不同片層的官能團之間產 生相互排斥的作用，可以使石墨片有一定程度的剝離，并賦予了氧化石墨烯一些新的特性。 也正是由于這些含氧基團的存在，氧化石墨更傾向于分散在水中，使得在有機溶劑和有機 基體中的應用受到了限制。為解決以上問題，充分發揮其優良性質，改善在溶劑中和在基體中的分散性，氧化 石墨烯的改性和功能化已成為關注的焦點，也是目前最重要和最具挑戰的工作之一。功能 化的石墨烯(functionalized graphene)將為化學和材料領域提供新的機遇。目前，對于氧化石墨烯的改性的方法主要有添加表面活性劑和有機功能化兩大 類。有機功能化仍然占有主導地位。例如異氰酸酯法，硅烷化法，偶聯劑法等。通過這些改 性的方法可以破壞氧化石墨層之間的氫鍵，使得改性后的氧化石墨烯能在有機溶劑中有很 好的分散° (1. Sasha Stankovich, Richard D. Piner, SonBinh Τ. Nguyen, Rodney S. Ruoff. Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated graphene oxide nanoplatelets. Carbon. 2006,44 :3342-3347. 2. Sandip Niyogi,Elena Bekyarova,Mikhai1 E. Itkis,Jared L. Mcffilliams, Mark A. Hamon, Robert C. Haddon. Solution Properties of Graphite and Graphene. J. Am. Chem. Soc.，2006，128 (24) :7720_7721)利用上述方法改性的氧化石墨烯在有機溶劑中的分散性雖然得到了很好的提高， 但卻喪失了在水中的分散能力。而且，改性的石墨烯材料大都可分散在DMF，DMSO等強極 性、沸點較高的溶劑中。而在低沸點、低極性溶劑，如二氯甲烷、石油醚、環己烷等卻不能使其分散。工業上，為滿足用途和環境的要求，需要米用具有不同分散性能的功能化氧化石墨 烯來制備新穎的納米復合材料。例如，用于染料填料的有機溶劑/水互變分散體系和防水 材料的疏水分散體系等等。因此研究有機修飾分子調控氧化石墨烯的溶劑分散性能具有很重要的理論意義 和實踐意義，它將對制備納米復合材料有一定的指導作用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可以在不同種類溶劑，尤其是低極性、低沸點的溶劑 中能良好分散及通過改變有機鏈段調控其溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯及其制備方法。實現本發明目的的技術解決方案為一種利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能 化氧化石墨烯，結構式如下
R=R1.R2.R權利要求
一種利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯，其特征在于結構式如下R＝R1，R2，R3FSA00000250104900011.tif,FSA00000250104900012.tif
2.一種利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯的制備方法，其特征在于 包括以下步驟第一步，將用Hummers方法制備的氧化石墨在N，N- 二甲基甲酰胺DMF中進行分散，形 成均勻的分散液；第二步，將二氯亞砜試劑加入到第一步所得的產物中進行回流反應，合成酰氯活化的 氧化石墨中間產物；第三步，減壓蒸餾第二步得到的混合液，除去多余的二氯亞砜；第四步，向第三步的產物中加入吡啶、接枝有機分子或聚合物分子以后，加熱并攪拌該 混合物；第五步，將第四步得到的混合液抽濾、洗滌干燥，得到功能化氧化石墨烯。
3.根據權利2所述的利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯的制備 方法，其特征在于氧化石墨的質量與二氯亞砜的體積之比為5 1 10 1，其中氧化 石墨的用量以毫克計，二氯亞砜以毫升計，氧化石墨與有機分子的質量之比為24 1 160 1，其中氧化石墨的用量以毫克計，有機分子以克計。
4.根據權利2所述的利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯的制備方 法，其特征在于第二步的反應溫度為70 80°C，反應時間為20 30小時。
5.根據權利2所述的利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯的制備方 法，其特征在于第四步中的有機分子為十八醇、乙二醇單甲醚、二乙二醇單甲醚和不同平 均分子量的聚乙二醇包括聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇1000、聚乙二醇2000、聚乙 二醇 4000。
6.根據權利2所述的利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯的制備方 法，其特征在于第四步中加入吡啶作為催化劑和縛酸劑以加快反應速度，加入吡啶的量為 15-30mL。
7.根據權利2所述的利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯的制備方 法，其特征在于第四步的加熱溫度為Iio 130°C，攪拌時間是3 4天。
全文摘要
本發明公開了一種利用有機鏈段調控溶劑分散性能的功能化氧化石墨烯及其制備方法，結構式如下R＝R1，R2，R3第一步，將用Hummers方法制備的氧化石墨在N，N-二甲基甲酰胺中進行分散，形成均勻的分散液；第二步，將二氯亞砜試劑加入到第一步所得產物中進行回流反應，合成酰氯活化的氧化石墨中間產物；第三步，減壓蒸餾第二步得到的混合液，除去多余的二氯亞砜；第四步，向第三步的產物中加入吡啶、接枝有機分子后，加熱并攪拌該混合物；第五步，將第四步得到的混合液抽濾、洗滌干燥。本發明可在不同種類溶劑，尤其是低極性、低沸點的溶劑中能良好分散，可以和許多聚合物分子良好的相容，使制備納米粒子/聚合物納米復合材料成為可能，具有較好的應用前景和經濟效益。
文檔編號C01B31/00GK101935030SQ20101026778
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者張樹鵬, 朱俊武, 楊緒杰, 汪信, 熊攀 申請人:南京理工大學