王啟明

摘要：石墨烯是一種新穎且非常獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)材料，它具有許多特殊而優(yōu)異的性能，例如特別好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，機(jī)械性能和單層透光率。因此，石墨烯具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯可以與高分子聚合物混合以獲得具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料。本文對(duì)石墨烯/聚合物導(dǎo)電納米復(fù)合物的制備及性能進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：石墨烯;石墨烯聚合物導(dǎo)電納米復(fù)合物;制備及性能

石墨烯從2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其憑借其出色的機(jī)械，光學(xué)，電學(xué)，熱學(xué)性能和獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，已成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究方向是石墨烯復(fù)合材料的制備與性能研究。

1石墨烯概述

石墨烯是由二維蜂窩狀晶格構(gòu)成的單層扁平碳原子。它被認(rèn)為是碳材料其它尺寸的基本單位。石墨烯可以被包裹成零維的富勒烯，并被卷成一維的納米管或三維堆積的石墨。

石墨烯層上六元碳環(huán)中的每個(gè)碳原子通過(guò)共價(jià)鍵與三個(gè)周?chē)奶荚酉噙B。共價(jià)鍵能非常強(qiáng)，形成非常穩(wěn)定的共價(jià)結(jié)構(gòu)，三個(gè)鍵角均為120°，從而使得石墨烯在平面方向上有很強(qiáng)的力學(xué)性能。碳原子上的三個(gè)價(jià)電子與周邊相連的碳原子結(jié)合成很強(qiáng)的sp2雜化的共價(jià)鍵，而剩下的單獨(dú)碳原子與相鄰平面上碳原子的單獨(dú)碳原子形成共軛的π鍵，這剩下的單獨(dú)碳原子被稱作π電子。π電子可以非常自由且快速在石墨烯層層平面上遷移，正是π電子的高移動(dòng)速率使得石墨烯具有非常好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和其他性能。

2石墨烯/聚合物復(fù)合材料的制備

（1）原位插層聚合反應(yīng)原位插層聚合反應(yīng)的原理是先將石墨烯或改性石墨烯分散在液態(tài)聚合物單體中。加入合適的引發(fā)劑使其均勻分散，然后通過(guò)加熱或輻射引發(fā)聚合。許多納米復(fù)合材料通過(guò)此法制備。

（2）溶液插層聚合反應(yīng)溶液插層聚合反應(yīng)基于一定的溶劑體系，該體系要求聚合物或預(yù)聚物可溶，并且石墨烯或改性石墨烯片層可溶脹或分散。石墨烯或改性石墨烯是靠弱作用力將片層堆積在一起的，能較容易地分散在合適的溶劑里，如水、丙酮、氯仿、四氫呋喃、二甲基甲酰胺和甲苯。聚合物吸附在剝離的片材上。當(dāng)溶劑蒸發(fā)時(shí)，片材被重組以形成夾心結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合材料。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)用于低極性或非極性聚合物插層復(fù)合材料的合成，但是去除溶劑是關(guān)鍵問(wèn)題。

（3）熔融插層聚合反應(yīng)在熔融插層法中不需要溶劑，石墨、石墨烯或改性石墨烯直接與熔融態(tài)聚合物混合。熱塑性聚合物與石墨、石墨烯或改性石墨烯通過(guò)常規(guī)方法，如擠出和注塑，在高溫下物理共混。然后無(wú)機(jī)物被插層或剝離形成復(fù)合材料。這是制備熱塑性復(fù)合材料常用的方法。不適合吸附或原位聚合方法制備的聚合物可以通過(guò)此法制備。

3石墨烯/聚合物復(fù)合材料的性能

3.1力學(xué)性能

對(duì)于石墨烯聚合物復(fù)合材料，由于其大的比表面積和出色的性能，非常有可能獲得出色的結(jié)構(gòu)和功能體系。利用AFM的納米壓痕技術(shù)，完美的石墨烯片層本征強(qiáng)度為130GPa，其彈性模量為1.0TPa。所以石墨烯在高分子納米復(fù)合材料的力學(xué)增強(qiáng)方面是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。

通過(guò)澆鑄成膜法制備PLA/氧化石墨烯/石墨烯片納米復(fù)合薄膜氧化石墨烯/石墨烯片的添加量為0.2至1（wt）%。增塑復(fù)合薄膜的屈服強(qiáng)度和楊氏模量比純PLA高100%。將GO加入PVA基體中的簡(jiǎn)單環(huán)境友好的方法制備PVA/石墨烯納米復(fù)合材料。GO含量?jī)H為0.7（wt）%（0.41（V）%）時(shí)，拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別增加76%（從49.9MPa增至87.6 MPa）和62%（從2.13GPa增至3.45GPa）。這是由于石墨烯片層大的寬高比，PVA基體中石墨烯片層分子水平的分散和石墨烯與PVA間氫鍵引起的強(qiáng)界面粘結(jié)。

3.2熱性能

為了提高功能聚合物的熱穩(wěn)定性，可以將它們植入具有優(yōu)異熱性能的材料，例如石墨烯基質(zhì)填料。對(duì)功能化石墨烯聚合物復(fù)合材料做了系統(tǒng)研究，他們發(fā)現(xiàn)在聚甲基丙烯酸酯中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的功能化石墨烯片層玻璃化溫度可提高近30℃。在聚丙烯腈中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的功能化石墨烯片層，玻璃化溫度可提高大約40℃，這樣大大提高了這兩種聚合物的強(qiáng)度，模量及熱穩(wěn)定性，遠(yuǎn)強(qiáng)于碳納米管改性聚合物復(fù)合材料。

除了提高聚合物的熱穩(wěn)定性以外石墨烯基體填充材料也能夠提高聚合物的熱導(dǎo)率。環(huán)氧樹(shù)脂中加入1（wt）%GO提高導(dǎo)熱性程度與加入1（wt）%SWNT相似。添加5（wt）%GO后導(dǎo)熱率為1W·mK-1，是純環(huán)氧樹(shù)脂的4倍。GO添加到20（wt）%時(shí)，導(dǎo)熱率為6.44W·mK-1。這些結(jié)果顯示了石墨烯聚合物復(fù)合材料是有前途的導(dǎo)熱材料。

3.3電性能

石墨烯是由碳原子排布在蜂窩狀格柵上的單層純碳材料，即使被切成1mm寬的原件，導(dǎo)電性依然很好。石墨烯片層能夠?yàn)殡娮愚D(zhuǎn)移提供滲透途徑，從而使得復(fù)合材料能夠?qū)щ姟Ｔ谝欢ǖ募虞d量下，填料能夠形成網(wǎng)絡(luò)從而導(dǎo)致復(fù)合材料導(dǎo)電性能的突然增長(zhǎng)。將高電導(dǎo)率的石墨烯作為填料添加到聚合物基體中將對(duì)基體材料導(dǎo)電性的提高很有幫助。

PS/GNPIL復(fù)合材料采用與異氰酸鹽改性的PS/石墨烯納米復(fù)合材料相似的方法制備。復(fù)合材料樣品壓成厚度約2mm的薄膜，測(cè)量其導(dǎo)電性。用四探針?lè)y(cè)得純PS的導(dǎo)電率約為10～14sm-1。向PS基體中添加0.38（V）%GNPIL時(shí)導(dǎo)電率迅速增加至5.77sm-1。

4石墨烯/金屬?gòu)?fù)合材料研究現(xiàn)狀

使用高速球磨機(jī)和高剪切均質(zhì)機(jī)制備出少層石墨烯和納米銅粉的復(fù)合粉體，隨后采用電火花燒結(jié)工藝制備出少層石墨烯增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料，復(fù)合材料的壓縮性能測(cè)試表明其屈服強(qiáng)度達(dá)到476MPa。利用片狀粉末冶金技術(shù)制備含有0.3（wt）%石墨烯增強(qiáng)體的Al基復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到249MPa，比純Al提高62%。運(yùn)用兩步法制備石墨烯增強(qiáng)的ZnO復(fù)合材料，其含量為6.7（wt）%，發(fā)現(xiàn)石墨烯在ZnO基體中部分重疊形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與純ZnO相比，復(fù)合材料的比電容提高128%。利用石墨烯優(yōu)異的熱學(xué)性能制備含有5（V）%石墨烯增強(qiáng)體的金屬微納米復(fù)合材料，溫度在300～400 K之間時(shí)該材料的熱導(dǎo)率提高5倍。

5結(jié)語(yǔ)

石墨烯的優(yōu)異的機(jī)械，電，磁和熱力學(xué)性能使其在復(fù)合材料的基體上有了很大的改進(jìn)。無(wú)論是陶瓷，水泥，金屬還是聚合物，添加石墨烯后的性能均得到改善。但是目前，關(guān)于石墨烯復(fù)合材料的研究還很少，許多改進(jìn)的機(jī)理還不清楚。同時(shí)，關(guān)于石墨烯在復(fù)合材料基體上的研究仍不清楚，許多有關(guān)體積改進(jìn)的研究集中在力學(xué)性能上，而研究了由于石墨烯對(duì)基體的電，磁和熱力學(xué)性能的變化。石墨烯的添加相對(duì)較少。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊瑋，張超，劉天西.石墨烯/聚合物復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017，30（1）：14-21.

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（作者單位：安徽科達(dá)新材料有限公司）