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技術(shù)文章
石墨烯為什么難以分散

上海矽諾國際貿(mào)易有限公司  2020-11-13  點(diǎn)擊1357次

目前石墨烯的各類合成技術(shù)都已經(jīng)成熟,關(guān)鍵是石墨烯材料難以在其他基體中分散,是制約其大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)。沒有大規(guī)模應(yīng)用,石墨烯就沒有發(fā)展的動(dòng)力。石墨烯為什么難以分散?這是由于其特殊的結(jié)構(gòu)所決定的,具體原因如下:


1、片狀結(jié)構(gòu)


石墨烯為典型的片狀結(jié)構(gòu),尤其是化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的石墨烯厚度又很薄,在復(fù)合過程中很容易造成片狀結(jié)構(gòu)的褶皺,嚴(yán)重的甚至變程團(tuán)狀,破壞了片狀結(jié)構(gòu)的特性,達(dá)不到應(yīng)有的改性效果。尤其是采用CVD方法生產(chǎn)的石墨烯薄膜,片狀結(jié)構(gòu)特性更強(qiáng)。


2、分子間力


單層石墨烯層間的范德華力很大,外來物質(zhì)和外來力很難打開,因此難以分散在聚合物中,要采用各種方法降低分子間的范德華力。主要方法為增加石墨烯層數(shù),單層石墨烯的尺寸還不到1納米,比表面積太大了很容易聚集,一般尺寸般達(dá)到10層(5納米)以上后范德華力會(huì)減弱一些,外來物質(zhì)材可以打開,添加到復(fù)合材料中才可以分散。但是層數(shù)要達(dá)到10層以上,就已經(jīng)成為石墨烯片了,很多改性作用發(fā)揮不出來。


氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)的石墨烯因采用強(qiáng)氧化劑氧化,在石墨烯層之間產(chǎn)生了氧化基團(tuán),降低了分子間力,與其他方法石墨烯相對(duì)而言其分散可能行性大大提高。


3、相容性問題


石墨烯材料分子結(jié)構(gòu)上官能團(tuán)成分很少,純凈石墨烯與聚合物的相容性不好。


通過前面的分析可以清晰的看出,目前制約石墨烯應(yīng)用的最大瓶頸為分散性,為例提高其在聚合物中的分散性,常采用如下方法:


01混合添加


采用片狀/球狀材料復(fù)合混合利于分散,如石墨烯/硫酸鋇、石墨烯/玻璃微珠等。


02表面處理


石墨烯為碳元素六元環(huán)構(gòu)成的穩(wěn)定化合物,呈現(xiàn)出化學(xué)惰性,但是氧化還原法石墨烯在片狀的邊緣引入了親水基團(tuán),可以進(jìn)行表面功能化改性。


(1)表面接枝處理  :


采用諸如異氰酸酯、硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)胺、重氮鹽等試劑可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的表面功能化。對(duì)單層石墨烯進(jìn)行功能團(tuán)接枝改性,這樣可以大幅度降低分子間的范德華力,不僅讓單層分散變的很容易,還可以提高與聚合物之間的相容性,可以制成分散均勻的石墨烯聚合物復(fù)合材料。


例如石墨烯懸浮液與異氰酸酯在氮?dú)獯嬖谙路磻?yīng)24小時(shí),異氰酸酯可以與氧化還原反應(yīng)石墨烯片層的邊緣羥基或者羧基反應(yīng),生成酰胺或者氨基甲酸酯。再如,將氧化石墨烯在丁胺和甲苯的存在下,三-氨丙基三乙氧基硅烷與石墨烯上的羥基反應(yīng),可以生成硅氧鍵,進(jìn)行功能化改性的石墨烯可以分散在水、乙醇、DMF、DMSO、APTS中。


(2)表面等離子體處理: 采用四氟化碳等離子體進(jìn)行處理。


(3)表面活性劑處理: 如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、木質(zhì)素磺酸鈉(SLS)、聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺等。


(4)表面硅烷偶聯(lián)劑處理: 如用硅烷KH-560處理。


03添加相容劑


添加馬來酸酐等功能官能團(tuán)介質(zhì)聚合物材料,可以有效提高與樹脂的相容性。具體舉例如下:


將苯基異氰酸酯功能化的石墨烯1%加入到PS中,然后用二甲肼進(jìn)行還原,復(fù)合材料的電導(dǎo)率達(dá)到0.1S/cm。將石墨烯先制成母料,在PC中加入3%就可以達(dá)到滲逾值,電導(dǎo)率達(dá)到1.2×10-4S/cm。而直接加入石墨烯微片,滲逾值高達(dá)9%。


04原位處理技術(shù)


(1)溶液包覆


對(duì)于采用溶液法合成的石墨烯,在合成過程中和最終產(chǎn)品都是溶液??梢圆捎迷痪酆衔锏姆椒ㄏ葘⒋卜勰┘尤敕磻?yīng)釜,在反應(yīng)過程中尺寸納米劑的石墨烯會(huì)在微米劑粉末上進(jìn)行反應(yīng),最好包覆在粉末上面,并且不會(huì)團(tuán)聚。例如深圳本征方程石墨烯有限公司在容易聚合物中對(duì)金屬銅、鎳、氧化亞銅等您先包覆處理,包覆銅可以達(dá)到銀的導(dǎo)電效果,包覆氧化亞銅可以大大提高其抗菌效果。


(2)原位聚合物


在原位溶液法聚合物石墨烯的同時(shí),將聚合物單體如PMMA、尼龍6等和引發(fā)劑一起加入,同時(shí)進(jìn)行聚合反應(yīng)。