專(zhuān)利名稱(chēng)：聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石墨烯基功能化核殼納米雜化材料及其制備方法，特別是一種聚苯乙烯包覆的功能化石墨烯核殼納米雜化材料及其制備方法，屬于材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯(Graphene)不僅是碳材料中的又一新秀,更被認(rèn)為是構(gòu)成零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨等碳系家族成員的基本單元。源于其獨(dú)特的性質(zhì)，迅速引起了世界范圍內(nèi)的研究熱潮，現(xiàn)已成為世界科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域之一。然而，結(jié)構(gòu)完整的石墨烯層間存在較強(qiáng)的范德華力作用，且表面呈化學(xué)惰性，極易團(tuán)聚，嚴(yán)重阻礙了它在任何溶劑中的分散，限制了在聚合物納米復(fù)合材料中的應(yīng)用。到目前 為止，常采用功能化石墨烯(functionalized graphene)來(lái)實(shí)現(xiàn)石墨烯的科學(xué)應(yīng)用。該類(lèi)方法的初始步驟一般要以已深度氧化的石墨，即氧化石墨烯(graphene oxide, GO)作為前驅(qū)體。作為一個(gè)典型的由上至下(top-down)的方法，基于氧化石墨烯的化學(xué)修飾依然被認(rèn)為是目前最合理、成本較低、易修飾且能夠大量制備功能化石墨烯的一種有效手段。然而，由于氧化石墨烯表面富含含氧功能基團(tuán)使其為熱不穩(wěn)定材料，受熱極易降解，并且失重溫度區(qū)間很窄。因而，通過(guò)共價(jià)或非共價(jià)化學(xué)修飾技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能化石墨烯兼具高分散性及高熱穩(wěn)定性等一系列科學(xué)問(wèn)題，亦成為目前最重要和最具挑戰(zhàn)的工作之一。目前，石墨烯的有機(jī)共價(jià)功能化仍占有主導(dǎo)地位，主要包括異氰酸酯法、酯化、酰胺化、硅烷化法、親核取代及相轉(zhuǎn)移技術(shù)等。通過(guò)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(jī)溶劑中有很好的分散且熱穩(wěn)定性有一定提高。(I. Matsuo Y, Tabata T, Fukunaga T, et al. Preparation and characterizationof silylated graphite oxide. Carbon, 2005, 43 (14) : 2875-2882. 2. Wang S,Chia P J, Chua L L, et al. Band-like Transport in Surface-FunctionalizedHighly Solution-Processable Graphene Nanosheets. Adv. Mater., 2008, 20 (18):3440-3446)。但在上述方法中，材料制備所采用的方法與本發(fā)明采用的方法不同。一般地，文獻(xiàn)中報(bào)道的基于GO表面羥基的反應(yīng)多為硅烷化反應(yīng)；基于醚鍵的反應(yīng)多為親核加成；而基于羧基的反應(yīng)多為成酯或酰胺的反應(yīng)。這些反應(yīng)所需的反應(yīng)溫度一般都比較高，且操作過(guò)程中所用的試劑存在或毒性大、或容易遇水分解等缺陷。合成步驟操作繁瑣，難于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明首次利用親核取代反應(yīng)原理，摒棄毒性較大的異氰酸酯、二氯亞砜等有機(jī)偶聯(lián)劑，而是將氯甲基化的聚苯乙烯與GO表面的羥基鏈接，成功實(shí)現(xiàn)了兼具分散性及熱穩(wěn)定性提高的一種聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的反應(yīng)溫度高、操作繁瑣、偶聯(lián)試劑毒性較大等不足，提供一種聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料的制備方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料，其結(jié)構(gòu)通式為
權(quán)利要求
1.一種聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料，其特征在于所述雜化材料具有以下結(jié)構(gòu)
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料，其特征在于所述雜化材料通過(guò)以下步驟制備 步驟I、采用改進(jìn)后的Hummers方法以天然石墨粉制備氧化石墨固體； 步驟2、超聲下，制備氧化石墨烯DMF懸浮液，氧化石墨和DMF溶劑的比為7. 5^15 mg/mL ； 步驟3、通過(guò)氯甲基化有機(jī)合成方法利用氯甲醚制備CMPS ； 步驟4、在縛酸劑存在下，將步驟2的懸浮液與步驟3制備的CMPS混合，氧化石墨烯與CMPS的質(zhì)量比為I I :10，加熱到6(Tl20°C攪拌； 步驟5、減壓過(guò)濾、洗滌、干燥后即得到功能化石墨烯核殼納米雜化材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料，其特征在于步驟2中所述的超聲時(shí)間為6 10h。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料，其特征在于步驟3中所述的氯甲基化有機(jī)合成方法中使用的催化劑為路易斯酸；所述的聚苯乙烯與路易斯酸的質(zhì)量比為I: f 2:1 ;所述的反應(yīng)溫度范圍為25飛(TC;所述的反應(yīng)時(shí)間為f 3天。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料，其特征在于所述的路易斯酸選自氯化鋅、氯化鋁或氯化錫中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料，其特征在于步驟4中所述的縛酸劑為有機(jī)堿或無(wú)機(jī)堿；所述的氧化石墨烯與縛酸劑的質(zhì)量比為I:廣4:1 ;所述的反應(yīng)時(shí)間為Γ3天。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料，其特征在于所述的有機(jī)堿優(yōu)選吡啶；所述的無(wú)機(jī)堿優(yōu)選自碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氫氧化鈉或氫氧化鉀中的一種或幾種。
8.一種聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料的制備方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 步驟I、采用改進(jìn)后的Hummers方法以天然石墨粉制備氧化石墨固體； 步驟2、超聲下，制備氧化石墨烯DMF懸浮液，氧化石墨和DMF溶劑的比為7. 5^15 mg/mL ； 步驟3、通過(guò)氯甲基化有機(jī)合成方法利用氯甲醚制備CMPS ； 步驟4、在縛酸劑存在下，將步驟2的懸浮液與步驟3制備的CMPS混合，氧化石墨烯與CMPS的質(zhì)量比為I I : 10，加熱到6(Tl20°C攪拌； 步驟5、減壓過(guò)濾、洗滌、干燥后即得到功能化石墨烯核殼納米雜化材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料的制備方法，其特征在于步驟2中所述的超聲時(shí)間為6 IOh ;步驟3中所述的氯甲基化有機(jī)合成方法中使用的催化劑為路易斯酸，所述的聚苯乙烯與路易斯酸的質(zhì)量比為I:廣2:1，所述的反應(yīng)溫度范圍為25 50°C，所述的反應(yīng)時(shí)間為廣3天；步驟4中所述的縛酸劑為有機(jī)堿或無(wú)機(jī)堿；所述的氧化石墨烯與縛酸劑的質(zhì)量比為I:廣4:1 ;所述的反應(yīng)時(shí)間為廣3天。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料的制備方法，其特征在于所述的路易斯酸選自氯化鋅、氯化鋁或氯化錫中的一種或幾種；所述的有機(jī)堿優(yōu)選吡啶；所述的無(wú)機(jī)堿優(yōu)選自碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氫氧化鈉或氫氧化鉀中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種聚苯乙烯包覆石墨烯的功能化核殼納米雜化材料及其制備方法，該功能化石墨烯核殼納米雜化材料是一種基于有機(jī)親核取代合成技術(shù)將氯甲基化聚苯乙烯包覆于氧化石墨烯表面構(gòu)建而成的納米雜化結(jié)構(gòu)。制備過(guò)程主要包括氧化石墨的制備、氯甲基化聚苯乙烯的制備、功能化石墨烯核殼納米雜化材料的制備三個(gè)步驟。本發(fā)明合成的雜化材料熱穩(wěn)定性能比氧化石墨烯有很大提高，且可以通過(guò)反應(yīng)溫度的改變調(diào)節(jié)氧化石墨烯表面聚苯乙烯的包覆量，實(shí)現(xiàn)該功能化雜化材料在溶劑中的分散性能的有效調(diào)控。再加上合成步驟簡(jiǎn)單、高效，易于大量制備，尤其適用于作為納米填料制備阻燃性聚合物納米復(fù)合材料。所以該納米材料具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)C08K3/04GK102964713SQ201210490348
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者孔見(jiàn), 宋海歐, 周江放, 徐安平, 姚冬婷, 韓建美 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)