石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料的制備與性能研究

王靜文

摘 要 本文對石墨烯及其聚合物納米復(fù)合材料的研究進展進行了綜述。首先概述了石墨烯的不同制備方法及石墨烯的共價與非共價改性途徑。然后重點總結(jié)了石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料的常用制備方法及其機械性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性及阻隔性能。最后，對該領(lǐng)域所存在的問題進行了總結(jié)，并展望了其發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 石墨烯 聚合物納米復(fù)合材料 制備與性能

中圖分類號：TQ325.14 文獻標識碼：A

0前言

石墨烯的理論研究始于1947年，迄今為止已有60多年的歷史。但真正能夠獨立存在的二維石墨烯晶體則是出現(xiàn)于2004年：英國曼徹斯特大學(xué)的Geim研究小組采用機械剝離法首次制備出穩(wěn)定的石墨烯，由此掀起一股研究石墨烯的熱潮。

1石墨烯及其基本性質(zhì)

石墨烯是周期性排列碳原子的二維蜂窩材料。其晶體結(jié)構(gòu)示于圖1中。石墨烯的每個晶胞由兩個碳原子組成，并且碳-碳原子間距為0.142nm。碳原子通過SP2雜交鍵合。每個碳原子的三個SP2軌道與相鄰三個碳原子的SP2軌道結(jié)合形成強%l鍵。晶體的晶體結(jié)構(gòu)彼此重疊以形成%i共軛體系，石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的性能。石墨烯具有極高的機械強度（130GPa），優(yōu)異的導(dǎo)熱性和較大的比表面積。其載流子遷移率高達15000cm2·V-1·S-1，并且還具有室溫量子效應(yīng)。霍爾效應(yīng)和室溫鐵磁性等特殊性能。與碳納米管相比，石墨烯的主要性能指標具有可比性甚至更好，石墨烯來源豐富，成本低廉，易于批量生產(chǎn)。

目前，石墨烯的制備方法主要包括機械剝離法，化學(xué)氣相沉積法，氧化石墨還原法，外延生長法，有機合成法等。其中，氧化石墨還原法簡單，成品率高，應(yīng)用廣泛。在用氧化石墨還原法制備的石墨烯中，殘留缺陷和基團不僅可以提高阻抗匹配性能，還可以促進電子向費米能級的轉(zhuǎn)變，并且缺陷可以放松微波的極化，小組發(fā)電給微波爐。偶極子放松，所以石墨烯具有更好的微波吸收特性。

與石墨和碳納米管相比，采用氧化石墨還原法制備的氧化石墨具有更好的微波吸收能力，甚至超過優(yōu)質(zhì)石墨烯。它是一種理想的吸波材料。石墨烯與聚合物的復(fù)合物可以提高聚合物的力學(xué)性能，電性能和熱穩(wěn)定性，獲得一種密度小，強度高，吸波效果好的新型吸波材料。

2石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料制備

（1）石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料的制備。

近年來，石墨烯粒子在聚合物基體中的納米分散開發(fā)為材料科學(xué)領(lǐng)域開辟了一條新途徑。這些納米雜化材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且這些納米雜化材料都不能通過傳統(tǒng)的復(fù)合材料或原始聚合物獲得。聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的反應(yīng)機理取決于聚合物的極性，石墨烯/石墨和溶劑，分子量，疏水性，活性基質(zhì)等。有三種主要的合成方法。

①原位聚合。這種聚合方法的優(yōu)點是填料顆粒更均勻地分散在聚合物基體中，并且所制備的納米復(fù)合材料中填料顆粒與聚合物之間的相互作用力較大，這有利于壓力轉(zhuǎn)移。缺點是引入石墨烯后復(fù)合體系的粘度增加，使得聚合反應(yīng)更為復(fù)雜，操作更加困難。

②溶液混合。這種方法基于溶劑體系，但溶劑去除是關(guān)鍵問題。該方法的主要優(yōu)點是反應(yīng)所需的插入聚合物具有極低的極性，甚至沒有極性。這種方法使用的有機溶劑會污染環(huán)境。

③熔體混合。這是制備熱塑性納米復(fù)合材料的常用方法。它不適用于吸附或原位聚合物聚合，可用于此方法。

（2）石墨烯填充聚合物基納米復(fù)合材料一系列納米填料如膨脹石墨，碳納米管和碳納米纖維廣泛用于制備聚合物復(fù)合材料。然而，更多關(guān)注改性石墨烯聚合物復(fù)合材料。

3石墨烯/聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用及展望

3.1應(yīng)用

無論在理論上還是實驗研究上，石墨烯都具有很大的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，在生物醫(yī)學(xué)，電極材料，光電傳感器等方面顯示出了很大的應(yīng)用優(yōu)勢。隨著研究的深入，石墨烯及其衍生物在聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用上顯示出更大的潛力，主要表現(xiàn)在增強機械性能，提高光電性能，電熱性能，提高熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性等方面。目前，石墨烯/聚合物復(fù)合材料已有相關(guān)專利，其應(yīng)用包括能源和催化劑。可以看出，石墨烯為制備輕質(zhì)，低成本和高性能復(fù)合材料提供了一種新方法。

3.2展望

石墨烯是一種聚合物納米填料，具有優(yōu)異的綜合性能。其獨特的碳原子單層結(jié)構(gòu)使聚集層狀硅酸鹽優(yōu)異的氣體阻隔性能和碳納米管良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性成為可能。廣泛用于聚合物基納米復(fù)合材料。雖然石墨烯基納米復(fù)合材料的合成和應(yīng)用起步較晚，但取得了很大進展。同時，實現(xiàn)真正的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還存在許多問題和挑戰(zhàn)：制備具有可控結(jié)構(gòu)和尺寸以及層數(shù)的高質(zhì)量石墨烯及其衍生物；如何有效地將石墨烯及其衍生物分散在聚合物基體中；如何改善石墨烯與聚合物基體之間的界面作用，這些都是需要解決的問題和困難。

4結(jié)束語

綜上所述，石墨烯作為納米填料填充在一系列聚合物體系中，通過研究歸納總結(jié)出的石墨烯聚合物復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)，可以為開發(fā)新型聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的研究者提供一些借鑒和指導(dǎo)。

參考文獻

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