2015-01-19 北京中科飞创自动化技术有限公司 石墨烯具有独特的性能和潜在的应用前景,目前已成为全世界的关注焦点与研究热点。此前,曾有科学家认为二维晶体在有限温度下是不可能存在的,而如今通过简单的机械剥离高定向热解石墨,便可制备得到二维单层石墨烯。英国曼彻斯特大学的教授AndreGeim和KonstantinNovoselov因在石墨烯领域的研究方面取得了开创性成果而荣获2010年的诺贝尔物理奖。此后,石墨烯引起了科学家极大的兴趣,并发现其在光、电、热等方面均有独特而优异的性能。石墨烯在纳米复合材料、储能材料、电子元器件及催化剂载体等领域已得到应用,且显现出良好的应用前景。石墨烯电子迁移率高、热稳定性好、导电性优异、硬度高等优点使其在涂料中获得应用,并取得了较好的应用效果。本研究根据国内外研究成果,对石墨烯的制备、改性及其在涂料中的应用进行了概述,以期拓宽石墨烯的工业应用。 1、石墨烯的结构与性质 石墨烯是一种由sp2杂化碳原子组成的二维晶体材料,具有略微波浪状的层式结构,被认为是组成石墨、碳纳米管、富勒烯等同素异形体的基本组成单元。石墨烯的强度高达130GPa,是迄今发现的力学性能最好的材料之一,石墨烯的热导率达5000W/(m·K),是良好的导热体。石墨烯独特的载流子特性,使其电子迁移率达到2×105cm2/(V·s),超过硅100倍,且几乎不随温度变化而变化。石墨烯与其氧化物在导电性能方面有很大差异,这是由于引入含氧基团后,破坏了原来的共轭结构,因此可以通过对石墨烯氧化-还原程度的调控,实现对其导电性能的控制,进一步推动半导体材料的发展。 2、石墨烯的制备方法 自石墨烯被发现以来,科研人员为能批量稳定地制备石墨烯付出了巨大努力并取得了阶段性成果。石墨烯制备方法主要有:(1)晶体外延生长法,该法是在极高的真空度下将单晶碳化硅衬底加热至1200~1600℃,使衬底中的硅原子升华析出,过量的碳原子留在基底并重构生成石墨烯,这是目前公认的最有可能实现工业化的方法之一;(2)化学气相沉积法(CVD),该法将甲烷等含碳化合物在基底上进行高温分解而重构生成石墨烯,然后除去金属基底得到石墨烯;(3)化学氧化-还原法,目前以该法制备 氧化石墨主要有3种途径,即Brodie法、Staudenmaier法及Hummers法。前两者会产生ClO2气体,Hummers法反应时间短,产品纯化步骤简单,因此目前的制备方法多基于Hummers法。Hummers法制备过程概括为:①向强酸和强氧化剂混合液加入石墨,反应得到氧化石墨;②借助外力剥离得到氧化石墨烯(GO);③通过化学还原、热还原等方法将氧化石墨烯还原得到还原的氧化石墨烯(rGO)。 上述3种制备方法中,使用CVD法制得的大面积石墨烯片层可以直接覆盖在金属表面用作防腐、保护涂层,而化学氧化-还原法则在涂料领域中更为常用。这是由于在氧化的过程中,将活性含氧基团引入到石墨烯上,为以后的功能化改性提供了活性反应位点,丰富了功能化改性的手段,从而有效提高改性GO与溶剂、聚合物的相容性。 3、在涂料领域中的应用 石墨烯的共轭结构导致其与水、有机溶剂以及聚合物的相容性较差,因而增加了其在涂料领域中的应用难度。为解决该问题,可在制备石墨烯的过程中先将GO功能化改性,再按需要进行还原。 3.1石墨烯的功能化改性 非共价法修饰是将石墨烯与修饰剂相互作用(如氢键作用、静电作用和π-π相互作用等)实现对石墨烯的改性,该法不破坏石墨烯的共轭结构,可保持其优异的导电性能。π-π相互作用可得到具有线-杆-线结构的石墨烯/PEG-OPE-PEG复合材料,杆是带共轭结构的亲油性低聚物,线则是亲水性PEG,该复合材料在水和有机溶剂中都显示出很好的相容性。 3.1.1共价键修饰 共价键修饰是将活性较高、具有特定官能团的物质以共价键的方式接枝到石墨烯上,以提高石墨烯的反应活性、相容性及其他特性。GO上存在羧基、环氧基、羟基等官能团,这些基团可作为功能化反应的活性位点。用聚乙烯醇的羟基与GO的羧基反应,可制得能在二甲基亚砜和水中分散的功能化石墨烯。Stankovich等用异氰酸酯衍生物反应将GO的羧基和羟基转变为活性酯胺和氨基甲酸酯,产物可在极性质子溶液中稳定存在,且可作进一步修饰。GO的环氧基团也可加以利用,Wang等将GO与十八胺进行开环反应,得到可在有机溶剂中均匀分散、浓度达15mg/mL的功能化石墨烯分散体系。 3.1.2非共价键修饰 非共价法修饰是将石墨烯与修饰剂相互作用(如氢键作用、静电作用和π-π相互作用等)实现对石墨烯的改性,该法不破坏石墨烯的共轭结构,可保持其优异的导电性能。π-π相互作用可得到具有线-杆-线结构的石墨烯/PEG-OPE-PEG复合材料,杆是带共轭结构的亲油性低聚物,线则是亲水性PEG,该复合材料在水和有机溶剂中都显示出很好的相容性。 3.2在涂料体系中的应用 石墨烯用于涂料中可制备纯石墨烯涂料和石墨烯复合涂料,前者主要是指纯石墨烯在金属表面发挥防腐蚀、导电等作用的功能涂料;后者主要是指石墨烯首先与聚合物树脂复合,然后以复合材料制备功能涂料,石墨烯可显著提升聚合物的性能,因此石墨烯复合涂料成为石墨烯的重要应用研究领域。 石墨烯与聚合物树脂复合方法大致有3种:
|
|
来自: 昵称13497476 > 《纳米产品》