一種石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體及其制備方法；屬于復(fù)合粉體領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)是要解決現(xiàn)有石墨烯與無機(jī)顆粒復(fù)合粉體制備工藝路線較長、成本高、環(huán)保壓力大的問題。通過將鎂鋁合金粉和/或鎂粉、碳酸鹽粉體和無機(jī)顆粒粉體進(jìn)行均勻混合，將該混合粉體進(jìn)行自蔓延高溫燃燒合成反應(yīng)，得到石墨烯與無機(jī)顆粒的復(fù)合粉體。本發(fā)明專利技術(shù)的石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體的制備方法同時具備操作方法簡單、成本低、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明專利技術(shù)適用于石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體的工業(yè)化生產(chǎn)。該復(fù)合物可廣泛用做涂料填料、油漆填料、水泥功能添加劑、樹脂基復(fù)合材料增強(qiáng)體、陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體、金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體、模具材料、導(dǎo)電漿料等領(lǐng)域、催化劑載體、儲能材料等領(lǐng)域。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體及其制備方法
本專利技術(shù)屬于復(fù)合粉體領(lǐng)域；具體涉及一種石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體及其制備方法方法。
技術(shù)介紹
2004年英國曼徹斯特大學(xué)的Geim等科學(xué)家用微機(jī)械剝離法制備出了單層的石墨烯震驚了整個科學(xué)界，石墨烯具有二維平面結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，在許多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯與無機(jī)顆粒的復(fù)合粉可用做涂料填料、油漆填料、金屬基復(fù)合材料原料、水泥功能添加劑、樹脂基復(fù)合材料增強(qiáng)體、陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體、金屬基復(fù)合材料填增強(qiáng)體、橡膠填料、模具材料、導(dǎo)電漿料、催化劑載體、儲能材料等，因此開發(fā)該類復(fù)合粉體具有重要的應(yīng)用價值。石墨烯與無機(jī)粉體的復(fù)合方法主要有兩種：一種是物理混合法，另一種是原位生成法。物理混合方法一般分兩步：首先是先制備石墨烯粉體，然后將石墨烯與其它粉體進(jìn)行混合實(shí)現(xiàn)復(fù)合。如中國專利(201710918624.5)將石墨烯與水泥原料物理混合，用于制備水泥復(fù)合材料。然而由于石墨烯片層之間較強(qiáng)的范德華力作用，石墨烯極易發(fā)生團(tuán)聚，很難實(shí)現(xiàn)石墨烯與其它粉體的均勻復(fù)合，嚴(yán)重影響石墨烯使用的有效性。原位生成法一般是在無機(jī)物顆粒表面原位制備石墨烯，這樣可實(shí)現(xiàn)石墨烯與無機(jī)物顆粒的復(fù)合。例如，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)以二茂鐵為碳源在MgO上生長石墨烯(Nanoscale,2014,6,6577)；利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)以乙烯為碳源在沸石上生長石墨烯(CARBON,2017，118，517-523)；在銅粉上將PMMA轉(zhuǎn)換成石墨烯(ScientificReport,2016,6,19363)。上述方法工藝復(fù)雜，對設(shè)備要求高，制備成本較高。如何利用簡單的工藝制備石墨烯與無機(jī)物的均勻復(fù)合粉體是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)是要解決現(xiàn)有石墨烯與無機(jī)顆粒復(fù)合粉體制備工藝路線較長、成本高、環(huán)保壓力大的問題；而提供了一種簡單易行的自蔓延高溫燃燒合成制備石墨烯與無機(jī)顆粒復(fù)合粉體的方法，該方法一步同時實(shí)現(xiàn)石墨烯的制備及其與無機(jī)顆粒的復(fù)合。以質(zhì)量百分比計(jì)，本專利技術(shù)中石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體是由下述原料制成的：10％～30％的含鎂金屬材料、20％～70％的碳酸鹽礦物粉和10％～70％的無機(jī)顆粒粉體；含鎂金屬材料為鎂、鎂鋁合金或者鎂鋁混合物中的一種或者其中幾種的混合，含鎂金屬材料是以粉體、條帶以及薄片形式中一種或其中的幾種；原料中的無機(jī)顆粒粉體為氧化物、氫氧化物、碳化物、氮化物、復(fù)合氧化物中的一種或者其中幾種的混合。進(jìn)一步地限定，含鎂金屬材料粉體的平均粒徑為1微米-5000微米；含鎂金屬材料條帶的厚度為0.5微米-1000微米；含鎂金屬材料薄片的厚度0.5微米-1000微米。鎂鋁合金中鎂的質(zhì)量百分比為1％～99％。進(jìn)一步地限定，碳酸鹽礦物粉為霰石、白堊、石灰?guī)r、大理石、白云石、鐵白云石、菱鎂礦、菱鐵礦、菱鍶礦、毒重石中的一種或者其中幾種的混合。碳酸鹽礦物粉中碳酸根占總質(zhì)量的50％～69％。碳酸鹽礦物粉的平均粒徑為0.5微米-1000微米。進(jìn)一步地限定，原料中的無機(jī)顆粒是鋁的氧化物、鋁的氫氧化物、鋁的碳化物、鋁的氮化物、鎂的氧化物、鎂的氫氧化物、鎂的碳化物、鎂的氮化物、鈣的氧化物、鈣的氫氧化物、鈣的碳化物、鈣的氮化物、鈉的氧化物、鈉的氫氧化物、鈉的碳化物、鈉的氮化物、鉀的氧化物、鉀的氫氧化物、鉀的碳化物、鉀的氮化物、鋇的氧化物、鋇的氫氧化物、鋇的碳化物、鋇的氮化物、鈦的氧化物、鈦的氫氧化物、鈦的碳化物、鈦的氮化物、鋯的氧化物、鋯的碳化物、鋯的氧氯化物、鋯的氮化物；以及鋁、鎂、鈣、鈉、鉀、鋇、鈦、鋯的復(fù)合氧化物中的一種或者其中幾種的混合。原料中的無機(jī)顆粒三維尺寸控制在0.002微米-2000微米。產(chǎn)物中的無機(jī)顆粒粉體是鋁的氧化物、鋁的碳化物、鋁的氮化物、鎂的氧化物、鎂的碳化物、鎂的氮化物、鈣的氧化物、鈣的碳化物、鈣的氮化物、鈉的氧化物、鈉的碳化物、鈉的氮化物、鉀的氧化物、鉀的碳化物、鉀的氮化物、鋇的氧化物、鋇的碳化物、鋇的氮化物、鈦的氧化物、鈦的碳化物、鈦的氮化物；以及鋁、鎂、鈣、鈉、鉀、鋇、鈦、鋯的復(fù)合氧化物中的一種或者其中幾種的混合。上述的復(fù)合粉體的制備方法如下：將原料混合均勻，置于自蔓延燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)，抽真空，然后通入二氧化碳和/或氬氣和/或氮?dú)猓紵铣善鹗細(xì)鈮嚎刂圃?.001Pa～0.1MPa，利用點(diǎn)火裝置點(diǎn)火，進(jìn)行自蔓延燃燒。復(fù)合粉體可利用無機(jī)酸溶液(或無機(jī)堿溶液)可洗去部分酸溶(或堿溶)物質(zhì)，調(diào)整粉體的含量和種類。本專利技術(shù)方法制備的石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體，石墨烯分散均勻，無機(jī)顆粒能阻止石墨烯復(fù)合。主要原理是在自蔓延燃燒合成設(shè)備點(diǎn)火裝置輸出能量的作用下碳酸鹽分解產(chǎn)生二氧化碳，當(dāng)局部溫度達(dá)到鎂粉與二氧化碳的著火點(diǎn)則會發(fā)生燃燒，產(chǎn)生石墨烯、氧化鎂，同時放出大量的熱，放出的熱量能繼續(xù)分解碳酸鹽產(chǎn)生二氧化碳，這使得在隨后無外界能量輸入的情況下二氧化碳和鎂的燃燒反應(yīng)不斷進(jìn)行下去，形成自蔓延燃燒現(xiàn)象。在該過程中瞬間產(chǎn)生高溫能促進(jìn)部分配方中的物質(zhì)進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，生成新的無機(jī)物質(zhì)(如鎂鋁尖晶石、鋯酸鎂等)。由于石墨烯熔點(diǎn)達(dá)3800度以上，遠(yuǎn)高于其它反應(yīng)生成物，所以體系降溫過程中優(yōu)先產(chǎn)生石墨烯固體片層，反應(yīng)體系中其它揮發(fā)或熔化的物質(zhì)隨后固化，則易包裹在石墨烯表面，形成良好的復(fù)合狀態(tài)，并一定程度保持石墨烯的片層狀結(jié)構(gòu)。由于產(chǎn)物中石墨烯與石墨烯之間被無機(jī)物質(zhì)隔離，有效解決了石墨烯片層容易在范德華力作用下復(fù)合成石墨片難題；石墨烯與無機(jī)物均勻復(fù)合，也解決了石墨烯與其它物質(zhì)難均勻復(fù)合的問題。本專利技術(shù)同時具備操作方法簡單、成本低、清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，制備出的石墨烯粉體缺陷較少且厚度較小。本專利技術(shù)適用于石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體的工業(yè)化生產(chǎn)。本專利技術(shù)的復(fù)合粉體可廣泛用做涂料填料、油漆填料、水泥功能添加劑、樹脂基復(fù)合材料增強(qiáng)體、陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體、金屬基復(fù)合材料填增強(qiáng)體、模具材料、導(dǎo)電漿料、催化劑載體、儲能材料等領(lǐng)域。附圖說明圖1是實(shí)施例1制備復(fù)合粉體的X-射線衍射譜圖；圖2是實(shí)施例1制備復(fù)合粉體的拉曼譜圖；圖3是實(shí)施例1制備復(fù)合粉體的掃描電子顯微鏡圖；圖4是實(shí)施例2制備復(fù)合粉體的X-射線衍射譜圖；圖5是實(shí)施例2制備復(fù)合粉體的拉曼譜圖；圖6是實(shí)施例2制備復(fù)合粉體的掃描電子顯微鏡圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1：本實(shí)施例中復(fù)合粉體的制備方法如下：按質(zhì)量百分比稱取35％的鎂粉(粒徑70微米)、10％大理石粉體(粒徑50微米)、55％的菱鎂礦礦石粉體(粒徑100微米)，混合均勻，置于自蔓延燃燒合成反應(yīng)裝置內(nèi)，抽真空至1-10Pa，然后通入二氧化碳?xì)怏w至1000Pa，點(diǎn)火進(jìn)行自蔓延燃燒，反應(yīng)結(jié)束后得到復(fù)合粉體。圖1是實(shí)施例1制備的復(fù)合粉體的X射線衍射譜圖，由圖1分析表明，復(fù)合粉體中主要含有氧化鎂和氧化鈣兩種金屬氧化物晶相，并且氧化鎂的峰很強(qiáng)，含量較高。圖2是實(shí)施例1制備的復(fù)合粉體的拉曼光譜，由圖2可知，拉曼光譜中有三個特征峰：G(1581cm-1)峰，D(1343cm-1)峰本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體，其特征在于以質(zhì)量百分比計(jì)，所述的復(fù)合粉體是由下述原料制成的：10％～30％的含鎂金屬材料、20％～70％的碳酸鹽礦物粉和10％～70％的無機(jī)顆粒粉體；含鎂金屬材料為鎂、鎂鋁合金或者鎂鋁混合物中的一種或者其中幾種的混合，含鎂金屬材料是以粉體、條帶以及薄片形式中一種或其中的幾種；無機(jī)顆粒粉體為氧化物、氫氧化物、碳化物、氮化物、復(fù)合氧化物中的一種或者其中幾種的混合。/n
【技術(shù)特征摘要】
1.一種石墨烯和無機(jī)顆粒復(fù)合粉體，其特征在于以質(zhì)量百分比計(jì)，所述的復(fù)合粉體是由下述原料制成的：10％～30％的含鎂金屬材料、20％～70％的碳酸鹽礦物粉和10％～70％的無機(jī)顆粒粉體；含鎂金屬材料為鎂、鎂鋁合金或者鎂鋁混合物中的一種或者其中幾種的混合，含鎂金屬材料是以粉體、條帶以及薄片形式中一種或其中的幾種；無機(jī)顆粒粉體為氧化物、氫氧化物、碳化物、氮化物、復(fù)合氧化物中的一種或者其中幾種的混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合粉體，其特征在于含鎂金屬材料粉體的平均粒徑為1微米-5000微米；含鎂金屬材料條帶的厚度為0.5微米-1000微米；含鎂金屬材料薄片的厚度0.5微米-1000微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合粉體，其特征在于鎂鋁合金中鎂的質(zhì)量百分比為1％～99％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合粉體，其特征在于碳酸鹽礦物粉為霰石、白堊、石灰?guī)r、大理石、白云石、鐵白云石、菱鎂礦、菱鐵礦、菱鍶礦、毒重石中的一種或者其中幾種的混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合粉體，其特征在于碳酸鹽礦物粉中碳酸根占總質(zhì)量的50％～69％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合粉體，其特征在于碳酸鹽礦物粉的平均粒徑為0.5微米-1000微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合粉體，其特征在于無機(jī)顆粒原料是鋁的氧化物、鋁的氫氧化物、鋁的碳化物、鋁的氮化物、鎂的氧化物、鎂的氫氧化物、鎂的碳化物、鎂的氮化...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王黎東，費(fèi)維棟，王詩榕，王璟楠，
申請(專利權(quán))人：泉州信和石墨烯研究院有限公司，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：福建;35
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