利用高分子聚合物燃烧合成制备石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳材料技术领域，涉及一种由多种高分子聚合物通过自蔓延高温合成法制备石墨烯材料的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是指由Sp2杂化的仅有一个原子层厚度且具有蜂窝状晶体结构的单层石墨层片。在单层石墨烯中，每个碳原子与周围的碳原子通过SP2杂化成键形成正六边形。单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，是目前世界上已知的最薄、最坚硬的纳米材料。石墨烯具有优异的力学、热学、光学及电学性能。它是已知的材料中强度和硬度最高的材料，其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa ;室温热导率为5 X 103W/m.Κ ;单层石墨烯的透光率为97.7%，随着层数的增加，可见光的透光率依次减少2.3%，其透光性可与ITO媲美；电子迀移率可达2 X 15Cm2/ (V.s)，电导率可达106S/m ;同时，石墨烯还具有显著的室温霍尔效应、稳定的狄拉克电子结构。因此，石墨烯在超级电容器、电子信息、纳米电子器件、复合材料等领域有着广泛的应用前景。目前石墨烯的制备方法有很多，主要的有:机械剥离法、氧化还原法、外延生长法及化学气象沉积法(CVD)等，但是这些方法都有自己的优缺点，例如:机械剥离法得到的石墨烯的工艺简单、成本较低、质量好、厚度小，但产量过小，不适合工业化生产；氧化还原法得到的氧化石墨烯分散性好，可大规模制备，但表面含有含氧官能团等缺陷，使其优良的性能如导电性下降甚至丧失；外延生长法得到的石墨烯质量好，可大面积制备，但难以控制形貌、成本高；CVD法制备的石墨烯质量高、层数可控、带隙可调，但成本高、产物需要转移。综上所述，开发出一种操作简单、制备的石墨烯质量较好、便于工业化大批量生产的制备工艺是很有价值的。
【发明内容】
[0003]为了开发操作工艺简单、节省能源、原材料来源广、效率高、便于工业化生产的石墨烯制备方法，本发明提供了一种利用高分子聚合物燃烧合成制备石墨烯的方法，采用多种高分子聚合物为碳源，利用燃烧合成方法制备石墨烯。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005]一种利用高分子聚合物燃烧合成制备石墨烯的方法，该制备方法按以下步骤进行:
[0006]一、按照质量百分比称取10?65%镁粉和35?90%的高分子聚合物均匀混合；
[0007]二、将步骤一中的混合物放在保护气氛中，用引燃剂或电阻丝加热点燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体；
[0008]三、将步骤二得到的粗产物粉体在质量分数为10?37%的HCl水溶液中酸洗，除去含镁的杂质，得到纯净的石墨烯。
[0009]上述方法中，所述镁粉的纯度为92?99.999%，平均颗粒直径为0.02?5mm。
[0010]上述方法中，所述高分子聚合物的纯度为92?99.999%。
[0011]上述方法中，所述高分子聚合物为高分子聚合物粉末、高分子聚合物短切纤维或高分子聚合物薄膜，其中:粉末平均颗粒直径为0.005?Imm ;短切纤维长度小于10mm，直径 0.0001 ?0.01mm ;薄膜厚度 0.001 ?0.05mm。
[0012]上述方法中，所述的保护气氛为Ar、He、CO2, CO气体中的一种或几种。
[0013]上述方法中，所述高分子聚合物为聚氯乙烯、氯化聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚超氯乙烯、聚氯丁二烯、六氯苯、酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、硼酸酯、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、环氧树脂、聚环氧乙烷、聚甲醛、聚苯醚、聚乙烯醇缩甲醛、聚丙烯酸、聚氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、尼龙6、尼龙66、脲醛树脂中的一种或几种。当高分子聚合物为聚氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯时，所得到的产物为氟掺杂的石墨烯；当高分子聚合物为聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、尼龙6、尼龙66时，所得到的产物为氮掺杂的石墨烯；当高分子聚合物为硼改性酚醛树脂、硼酸酯时，所得到的产物为硼掺杂的石墨烯；当高分子聚合物为聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、尼龙6、尼龙66中的一种或几种，与硼改性酚醛树脂、硼酸酯中的一种或两种混合物时，所得到的产物为硼氮共掺杂的石墨稀。
[0014]本发明具有如下有益效果:
[0015](I)高分子聚合物价格便宜、品种多样、便于储存运输；且其中一些树脂在提供碳源的同时也会提供N、B、F等元素进行掺杂，一步得到掺杂的石墨烯。
[0016](2)本发明得到的石墨烯具有特殊的形貌，如花瓣状、褶皱状、空心球状、鳞片状等，所得到的石墨烯或氮掺杂或氟掺杂或硼掺杂，且层数在10层以下，便于工业化生产，可应用于复合材料、储能电池、超级电容器、电子器件、催化剂载体、敏感器件等领域。
【附图说明】
[0017]图1为【具体实施方式】一得到的石墨烯的SEM图；
[0018]图2为【具体实施方式】二得到的石墨烯的SEM图；
[0019]图3为【具体实施方式】三得到的石墨烯的SEM图；
[0020]图4为【具体实施方式】三得到的石墨烯的TEM图。
【具体实施方式】
[0021]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合，为了帮助理解本发明，以下用实例对本发明作进一步说明，本发明的保护范围由权利要求书来限定。
[0022]【具体实施方式】一:按照质量分数称取直径为1mm、16.1 %的镁粉、83.9 %的聚氯乙烯粉末，充分混合，在CO2气氛下，用电阻丝加热点燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体，称取含石墨烯的粗产物粉体，用质量分数为15%的HCl水溶液酸洗，再用去离子水冲洗，得到纯净的石墨烯粉体，其SEM图如图1所示。
[0023]【具体实施方式】二:按照质量分数称取直径为0.5mm、18.3%的镁粉、81.7%的酚醛树脂粉末，充分混合，在0)2气氛中，用引燃剂点燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体，称取含石墨烯的粗产物粉体，用质量分数为30%的HCl水溶液酸洗，过滤后再用去离子水冲洗，得到纯净的石墨烯粉体，其SEM图如图2所示。
[0024]【具体实施方式】三:按照质量分数称取直径为2mm、22.4%的镁粉、77.6%的聚超氯乙烯粉末，充分混合，在Ar和0)2各占50%的混合气体中，用电阻丝加热点燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体，用质量分数为20%的HCl水溶液酸洗，再用去离子水冲洗，得到纯净的石墨烯粉体，其SEM图如图3所示，TEM图如图4所示。
[0025]【具体实施方式】四:按照质量分数称取直径为2mm、55%的镁粉、22%的聚乙烯醇粉末与23%聚醋酸乙烯酯粉末，充分混合，在0)2气体中，用电阻丝加热点燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体，取含石墨烯的粗产物粉体，用质量分数为30%的HCl水溶液酸洗，再用去离子水冲洗，得到纯净的石墨烯粉体。
[0026]【具体实施方式】五:按照质量分数称取直径为5mm、58%的镁粉、18%的聚乙烯醇缩甲醛粉末、10 %的酚醛树脂粉末与14%聚乙烯醇缩丁醛粉末，充分混合，在Ar和0)2各占50 %的混合气体中，用电阻丝加热点燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体，取含石墨烯的粗产物粉体，用质量分数为30%的HCl水溶液酸洗，再用去离子水冲洗，得到纯净的石墨烯粉体。
[0027]【具体实施方式】六:按照质量分数称取直径为0.05mm、31.2%的镁粉、68.8%的聚丙烯腈短切纤维，充分混合，在0)2气体中，用电阻丝加热点燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体，取含石墨烯的粗产物粉体，用质量分数为30%的HCl水溶液酸洗，再用去离子水冲洗，得到氮掺杂的石墨烯粉体。
[0028]【具体实施方式】七:按照质量分数称取直径为0.02mm、34.7%的镁粉、65.3%的尼龙6短切纤维，充分混合，在0)2气体中，用电阻丝加热点燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体，取含石墨烯的粗产物粉体，用质量分数为36%的HCl水溶液酸洗，再用去离子水冲洗，得到氮掺杂的石墨烯粉体。
[0029]【具体实施方式】八:按照质量分数称取直径为0.05mm、40.3%的镁粉、59.7%的聚丙烯酰胺薄膜，充分混合，在0)2气体中，用引燃剂引燃，进行燃烧合成反应，得到含石墨烯的粗产物粉体，取含石墨烯的粗产