一種石墨烯噴劑及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石墨烯噴劑及其制備方法和應(yīng)用，石墨烯噴劑由石墨烯溶液和光催化劑混合溶液構(gòu)成。本發(fā)明提出一種石墨烯噴劑，可在戶外用品表面形成一層優(yōu)良性能的防水透氣性的石墨烯膜，價格便宜、制備簡單、攜帶方便、使用簡單。
【專利說明】一種石墨烯噴劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種由石墨烯制成的噴劑、具體的制備方法以及該噴劑的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著登山，滑雪，航海等戶外運動的蓬勃發(fā)展，對鞋、服裝、帽子、帳篷、睡袋，防潮袋這些戶外用品的防水透氣功能需求十分強烈。這些戶外用品集防水、透濕、防風(fēng)、保暖于一體，它既能抵御雨雪和寒風(fēng)的入侵，又能讓人體的汗氣及時排出，保持干爽和溫暖，從而實現(xiàn)用品防水功能和舒適性的統(tǒng)一。而傳統(tǒng)的材料不透氣，穿著時感覺發(fā)悶，人體產(chǎn)生的汗液無法排到外面，在內(nèi)表面聚積冷凝，使人感覺到不舒適且有濕冷感，甚至有凍傷，凍死的情況發(fā)生。
[0003]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開始采用涂層或薄膜在這些戶外用品表面形成一層防水透氣膜的方式來解決前述問題。目前防水透氣膜已經(jīng)經(jīng)歷了以下四代:
[0004]第一代:最早為了達到防水、防風(fēng)，只是在面料上覆蓋防水膠，以達到防水目的，這種材料和工藝制作的產(chǎn)品，可以耐一定的水壓，但絕對不會透氣，而且防水透氣性差。
[0005]第二代:PU薄膜，這是一種耐水壓很不錯的材料，將產(chǎn)品面料與之復(fù)合在一起，可以做到防水穩(wěn)定性較好，其高端產(chǎn)品也有些許透濕功能，但效果很不理想。如:市場現(xiàn)有KING-TEX。
[0006]第三代:TPU薄膜，在PU薄膜基礎(chǔ)上開發(fā)出來，比膜在透氣、透濕、耐水壓方面都有所改善，是替代PU膜的一種防水透氣膜，國內(nèi)有TING-TEX、KING-TEX等。
[0007]第四代=EPTFE膜(聚四氟乙烯)是最新一代防水透氣膜，其防水透氣性均較好。在國際市場有出色表現(xiàn)的主要有=GORE-TEX(美國戈爾公司研制)、0MN1-TECH(美國COLUMBIA公司研制)、FIRST-TEX(美國FBA國際集團研制)、EVENT(近幾年來迅速崛起的防水透氣專業(yè)材料商研制)、TEXP0RE (德國JACKW0LFSKIN公司研制)等。但是該膜價格較貴，長時間使用后易磨損，且修復(fù)困難昂貴。
[0008]由此總結(jié)現(xiàn)有的防水透氣膜有以下三個缺陷:(I)現(xiàn)有普通防水透氣膜，防水性和透氣性較差。(2)現(xiàn)有較好的防水透氣膜，防水和透氣性較好但是價格昂貴。(3)現(xiàn)有防水透氣膜長期使用后易磨損，且修復(fù)困難，價格昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是解決前述的防水透氣膜的各種缺陷，提供一種制備簡單，攜帶方便，使用簡單可在戶外用品表面形成一層性能良好的防水透氣性的石墨烯膜的石墨烯噴劑及其制備方法以及其作為防水透氣膜的應(yīng)用。
[0010]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案首先是一種石墨烯噴劑，由石墨烯溶液和光催化劑混合溶液構(gòu)成；所述石墨烯溶液中添加的光催化劑的濃度為0.01~lmg/ml ;所述光催化劑為二氧化鈦或氧化鋅或氧化錫或二氧化鋯或硫化鎘。
[0011]其次是該石墨烯噴劑的制備方法，包括以下步驟:[0012]步驟一:制備石墨烯粉:采用氧化還原法制備得到石墨烯粉；在冰水浴中準(zhǔn)備250ml~1000ml的反應(yīng)瓶；然后加入200~600ml濃度大于70%的濃硫酸，攪拌下加入2~8g石墨粉和I~4g硝酸鈉的固態(tài)混合物,攪拌速度為IOOrpm~300rpm,攪拌時間10~20min ;然后分六次加入6~24g高猛酸鉀,攪拌速度為IOOrpm~300rpm,攪拌時間10~20min,隨后升溫至25°C~35°C ,并繼續(xù)攪拌，攪拌速度為300rpm~500rpm,攪拌20min~30min ;緩慢加入100~300ml去離子水，繼續(xù)攪拌20~30min ;升溫至90°C~100°C并保持20min~lh，加入10~30ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%~65%的雙氧水水溶液還原殘留的氧化劑，并攪拌混合均勻，然后靜置0.5h~Ih ;采用用電阻率大于18MQ*cm的超純水和5~10%的鹽酸洗滌，直到濾液中無硫酸根被檢測到為止；最后對溶液進行過濾，將濾物置于50~60°C真空干燥箱中充分干燥得到石墨烯粉。
[0013]步驟二:制備石墨烯溶液:在制備好的石墨烯粉體中加入溶劑，拌混勻后，將混合液置于超聲振蕩器上震蕩，超聲波功率為200W，超聲波頻率為60KHZ，超聲震蕩時間I~3h，得到濃度為0.5~15mg/ml的石墨烯溶液。溶劑為水或有機溶劑或至少兩種有機溶劑的混合物；所述有機溶劑為甲醇或乙醇或異丙醇或丙酮或乙酸乙酯或氯仿或四氯化碳或四氫呋喃或N，N-二甲基甲酰胺或二甲基亞砜或苯或甲苯或二甲苯或氯苯或二氯苯或三氯苯；優(yōu)選溶劑為水、甲 醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、四氫呋喃、苯、甲苯中的一種或者任意兩種或兩種以上的有機溶劑的混合物。更優(yōu)選為水、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿中的一種或者任意兩種或兩種以上的有機溶劑的混合物；最優(yōu)選溶劑為水或乙醇。
[0014]步驟三:制備噴涂溶液:向步驟二中的石墨烯溶液內(nèi)加入0.01~lmg/ml的光催化劑，對混合溶液先采用超聲波震蕩充分散；所述超聲波功率為200W，超聲波頻率為60KHZ，超聲波震蕩時間為I~3h ;隨后對混合溶液進行離心純化處理，所述離心轉(zhuǎn)速為4000rpm~12000rpm,離心時間為I~30min ;優(yōu)選離心時間為10~20min。取離心后石墨烯和光催化劑的上清液作為噴涂劑。光催化劑為二氧化鈦或氧化鋅或氧化錫或二氧化鋯或硫化鎘；優(yōu)選為二氧化鈦。
[0015]最后，本發(fā)明還包括對如述石墨稀噴劑的應(yīng)用，用石墨稀噴劑對戶外用品表面進行防水透氣處理的應(yīng)用，通過對戶外用品表面噴涂后直接在戶外用品表面形成防水透氣的石墨稀I吳。所述噴涂后在戶外用品表面形成的石墨稀I吳的厚度為0.1~100 μ m ;優(yōu)選為I~80 μ m,更優(yōu)選為5~60 μ m,最優(yōu)選為10~50 μ m。所述對戶外用品表面進行噴涂石墨烯噴劑處理的方法為:噴嘴距離所需噴涂戶外用品表面為I~15cm，優(yōu)選為2~12cm，更優(yōu)選為2~IOcm,最優(yōu)選為5~8cm ;噴涂的時間范圍為0.5~IOmin,優(yōu)選為I~8min,更優(yōu)選為I~5min，最優(yōu)選為2~4min ;噴涂為任意角度的噴涂,優(yōu)選為任意角度的連續(xù)噴涂，更優(yōu)選為循環(huán)的任意角度的連續(xù)噴涂；噴涂后將戶外用品自然晾干，晾干時間10~30min。
[0016]本發(fā)明基于對石墨烯的研究，確認(rèn)如果采用石墨烯作為防水透氣膜可以充分利用石墨烯的以下性能:(1)石墨烯是人類已知強度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍，因此采用石墨烯作為防水透氣膜能有較好的表面強度和耐磨性能；(2)石墨烯價格格便宜；(3)單層石墨烯厚度為0.34nm，它幾乎是完全透明的，用于戶外用品表面具有較好的滲透性的同時不會影響戶外用品的外觀色澤；(4)石墨烯本身具有疏水性，水滴的直徑在4~50mm,而水蒸汽分子的尺寸約為0.4nm,所以石墨烯在阻擋水滴的同時可以讓水分子通過，具有良好的防水性和透氣性。(5)石墨烯可抑制細菌生長，用于戶外用品可以減少野外情況下細菌對人體的傷害。
[0017]由此，本發(fā)明具有以下的有益的效果:(I)本發(fā)明提出一種石墨烯防水透氣噴劑，可在戶外用品表面形成一層優(yōu)良性能的防水透氣性的石墨烯膜，價格便宜、制備簡單、攜帶方便、使用簡單。
[0018](2)本發(fā)明的石墨烯噴劑添加了光催化劑，噴涂后可直接形成石墨烯膜。而不是氧化石墨烯再經(jīng)過還原生產(chǎn)石墨烯膜，不需要加熱或者烘烤，因此使用方便，使用者可以隨時隨地為自己的戶外用品設(shè)置性能優(yōu)越的防水透氣保護膜。
[0019](3)本發(fā)明的石墨烯噴劑采用二氧化鈦作為光催化劑，能進一步具有催化性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定、安全無毒、無副作用、價格低廉、使用壽命長等優(yōu)點。
[0020](4)本發(fā)明的納米級石墨烯噴劑在用品表面具有很好的滲透性，形成穩(wěn)定的保護膜。
[0021](5)本發(fā)明的石墨烯噴劑能形成具有良好的表面強度、耐磨性、透氣性、防水性、殺菌性的保護膜。
[0022](6)本發(fā)明的石墨烯膜的防水透氣性失效后，可再次噴涂噴劑重新形成保護膜，非常便捷。
【具體實施方式】
[0023]石墨烯噴劑的 制備方法，包括以下步驟:
[0024]步驟一:制備石墨烯粉:采用氧化還原法制備得到石墨烯粉；在冰水浴中準(zhǔn)備250ml~1000ml的反應(yīng)瓶；然后加入200~600ml濃度大于70%的濃硫酸，攪拌下加入2~8g石墨粉和I~4g硝酸鈉的固態(tài)混合物,攪拌速度為IOOrpm~300rpm,攪拌時間10~20min ;然后分六次加入6~24g高猛酸鉀,攪拌速度為IOOrpm~300rpm,攪拌時間10~20min,隨后升溫至25°C~35°C ,并繼續(xù)攪拌，攪拌速度為300rpm~500rpm,攪拌20min~30min ;緩慢加入100~300ml去離子水，繼續(xù)攪拌20~30min ;升溫至90°C~100°C并保持20min~lh，加入10~30ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%~65%的雙氧水水溶液還原殘留的氧化劑，并攪拌混合均勻，然后靜置0.5h~Ih ;采用用電阻率大于18MQ*cm的超純水和5~10%的鹽酸洗滌，直到濾液中無硫酸根被檢測到為止；最后對溶液進行過濾，將濾物置于50~60°C真空干燥箱中充分干燥得到石墨烯粉。
[0025]步驟二:制備石墨烯溶液:在制備好的石墨烯粉體中加入溶劑，拌混勻后，將混合液置于超聲振蕩器上震蕩，超聲波功率為200W，超聲波頻率為60KHZ，超聲震蕩時間I~3h，得到濃度為0.5~15mg/ml的石墨烯溶液。溶劑為水或有機溶劑或至少兩種有機溶劑的混合物；所述有機溶劑為甲醇或乙醇或異丙醇或丙酮或乙酸乙酯或氯仿或四氯化碳或四氫呋喃或N，N-二甲基甲酰胺或二甲基亞砜或苯或甲苯或二甲苯或氯苯或二氯苯或三氯苯；優(yōu)選溶劑為水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、四氫呋喃、苯、甲苯中的一種或者任意兩種或兩種以上的有機溶劑的混合物。更優(yōu)選為水、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿中的一種或者任意兩種或兩種以上的有機溶劑的混合物；最優(yōu)選溶劑為水或乙醇。有機溶劑有助于于溶解分散石墨烯粉，制備的溶液中石墨烯分散均勻。
[0026]步驟三:制備噴涂溶液:向步驟二中的石墨烯溶液內(nèi)加入0.01~lmg/ml的光催化劑，對混合溶液先采用超聲波震蕩充分散；所述超聲波功率為200W，超聲波頻率為60KHZ，超聲波震蕩時間為I~3h ;隨后對混合溶液進行離心純化處理，所述離心轉(zhuǎn)速為4000rpm~12000rpm,離心時間為I~30min ;優(yōu)選離心時間為10~20min,能確保溶液均勻性更好。取離心后石墨烯和光催化劑的上清液作為噴涂劑。光催化劑為二氧化鈦或氧化鋅或氧化錫或二氧化鋯或硫化鎘；優(yōu)選為二氧化鈦。
[0027] 制得石墨烯噴劑后，通過對戶外用品表面噴涂后直接在戶外用品表面形成防水透氣的石墨稀I吳。噴涂后在戶外用品表面形成的石墨稀I吳的厚度為0.1~100 μ m ;優(yōu)選為I~80 μ m,更優(yōu)選為5~60 μ m,最優(yōu)選為10~50 μ m。對戶外用品表面進行噴涂石墨烯噴劑處理的方法為:噴嘴距離所需噴涂戶外用品表面為I~15cm，優(yōu)選為2~12cm，更優(yōu)選為2~IOcm,最優(yōu)選為5~8cm ;噴涂的時間范圍為0.5~IOmin,優(yōu)選為I~8min,更優(yōu)選為I~5min，最優(yōu)選為2~4min ;噴涂為任意角度的噴涂,優(yōu)選為任意角度的連續(xù)噴涂,更優(yōu)選為循環(huán)的任意角度的連續(xù)噴涂；噴涂后將戶外用品自然晾干，晾干時間10~30min。石墨烯膜構(gòu)成的防水透氣膜失效后，可再次噴涂噴劑重新形成保護膜。
[0028]下面進行九組應(yīng)用列并進行檢測，表一為九個應(yīng)用列的選材，表二為對九個應(yīng)用列制成的噴劑形成的石墨烯膜進行檢測的結(jié)果。
[0029]表一:九個應(yīng)用例
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯噴劑，其特征在于:由石墨烯溶液和光催化劑混合溶液構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯噴劑，其特征在于:所述光催化劑在混合溶液中的濃度為 0.01 ~lmg/ml。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯噴劑，其特征在于:所述光催化劑為二氧化鈦或氧化鋅或氧化錫或二氧化鋯或硫化鎘，優(yōu)選二氧化鈦。
4.一種石墨烯噴劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:制備石墨烯粉:采用氧化還原法制備得到石墨烯粉； 步驟二:制備石墨烯溶液:在制備好的石墨烯粉體中加入溶劑，攪拌混勻后得到石墨烯溶液； 步驟三:制備噴涂溶液:向步驟二中的石墨烯溶液內(nèi)加入光催化劑，對混合溶液進行離心純化處理，取離心后石墨烯和光催化劑的上清液作為噴涂劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種石墨烯噴劑的制備方法，其特征在于:所述步驟三中加入0.01~lmg/ml的光催化劑；所述光催化劑為二氧化鈦或氧化鋅或氧化錫或二氧化鋯或硫化鎘；優(yōu)選為二氧 化鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種石墨烯噴劑的制備方法，其特征在于:加入光催化劑后對混合溶液先采用超聲波震蕩使其充分分散；所述超聲波功率為200W，超聲波頻率為60KHZ，超聲波震蕩時間為I~3h ;隨后對混合溶液進行離心純化處理，所述離心轉(zhuǎn)速為4000rpm~12000rpm,離心時間為I~30min ;優(yōu)選離心時間為10~20min。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種石墨烯噴劑的制備方法，其特征在于:所述步驟二中的溶劑為水或有機溶劑或至少兩種有機溶劑的混合物；所述有機溶劑為甲醇或乙醇或異丙醇或丙酮或乙酸乙酯或氯仿或四氯化碳或四氫呋喃或N，N- 二甲基甲酰胺或二甲基亞砜或苯或甲苯或二甲苯或氯苯或二氯苯或三氯苯；優(yōu)選溶劑為水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、四氫呋喃、苯、甲苯中的一種或者任意兩種或兩種以上的有機溶劑的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種石墨烯噴劑的制備方法，其特征在于:所述步驟二中得到的石墨烯溶液濃度為0.5~15mg/ml。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯噴劑的應(yīng)用，其特征在于:用石墨烯噴劑對戶外用品表面進行防水透氣處理的用途，通過對戶外用品表面噴涂后直接在戶外用品表面形成防水透氣的石墨烯膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的石墨烯噴劑的應(yīng)用，其特征在于:所述噴涂后在戶外用品表面形成的石墨烯膜的厚度為0.1~100 μ m ;優(yōu)選為I~80 μ m,更優(yōu)選為5~60 μ m,最優(yōu)選為10~50μπι。
【文檔編號】D06M11/46GK103980750SQ201410241009
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】劉志成, 周振義, 張文國, 楊海濤, 張志華, 鄧科文 申請人:常州二維碳素科技有限公司