当前时间:

行业动态

当前位置:首页 > 新闻动态 > 行业动态

石墨烯为什么难以分散?如何解决?

日期:2018-03-23 04:51:04    作者:院办公室    浏览量:1052 次

目前石墨烯的各类合成技术都已经成熟,关键是石墨烯材料难以在其他基体中分散,是制约其大规模应用的难点。没有大规模应用,石墨烯就没有发展的动力。石墨烯为什么难以分散?如何使石墨烯与其他材料相容?

微信图片_20180323113924.jpg

目前石墨烯的各类合成技术都已经成熟,关键是石墨烯材料难以在其他基体中分散,是制约其大规模应用的难点。没有大规模应用,石墨烯就没有发展的动力。石墨烯为什么难以分散?这是由于其特殊的结构所决定的,具体原因如下:

1、片状结构

石墨烯为典型的片状结构,尤其是化学气相沉积法生产的石墨烯厚度又很薄,在复合过程中很容易造成片状结构的褶皱,严重的甚至变程团状,破坏了片状结构的特性,达不到应有的改性效果。尤其是采用CVD方法生产的石墨烯薄膜,片状结构特性更强。

2、分子间力

单层石墨烯层间的范德华力很大,外来物质和外来力很难打开,因此难以分散在聚合物中,要采用各种方法降低分子间的范德华力。主要方法为增加石墨烯层数,单层石墨烯的尺寸还不到1纳米,比表面积太大了很容易聚集,一般尺寸般达到10层(5纳米)以上后范德华力会减弱一些,外来物质材可以打开,添加到复合材料中才可以分散。但是层数要达到10层以上,就已经成为石墨烯片了,很多改性作用发挥不出来。

氧化还原反应生产的石墨烯因采用强氧化剂氧化,在石墨烯层之间产生了氧化基团,降低了分子间力,与其他方法石墨烯相对而言其分散可能行性大大提高。

3、相容性问题

石墨烯材料分子结构上官能团成分很少,纯净石墨烯与聚合物的相容性不好。

通过前面的分析可以清晰的看出,目前制约石墨烯应用的最大瓶颈为分散性,为例提高其在聚合物中的分散性,常采用如下方法:

微信图片_20180323113930.jpg

01混合添加

采用片状/球状材料复合混合利于分散,如石墨烯/硫酸钡、石墨烯/玻璃微珠等。

02表面处理

石墨烯为碳元素六元环构成的稳定化合物,呈现出化学惰性,但是氧化还原法石墨烯在片状的边缘引入了亲水基团,可以进行表面功能化改性。

1)表面接枝处理  

采用诸如异氰酸酯、硅烷偶联剂、有机胺、重氮盐等试剂可以实现石墨烯的表面功能化。对单层石墨烯进行功能团接枝改性,这样可以大幅度降低分子间的范德华力,不仅让单层分散变的很容易,还可以提高与聚合物之间的相容性,可以制成分散均匀的石墨烯聚合物复合材料。

例如石墨烯悬浮液与异氰酸酯在氮气存在下反应24小时,异氰酸酯可以与氧化还原反应石墨烯片层的边缘羟基或者羧基反应,生成酰胺或者氨基甲酸酯。再如,将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与石墨烯上的羟基反应,可以生成硅氧键,进行功能化改性的石墨烯可以分散在水、乙醇、DMFDMSOAPTS中。

2)表面等离子体处理: 采用四氟化碳等离子体进行处理。

3)表面活性剂处理: 如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、木质素磺酸钠(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)表面硅烷偶联剂处理: 如用硅烷KH-560处理。

03添加相容剂

添加马来酸酐等功能官能团介质聚合物材料,可以有效提高与树脂的相容性。具体举例如下:

将苯基异氰酸酯功能化的石墨烯1%加入到PS中,然后用二甲肼进行还原,复合材料的电导率达到0.1S/cm。将石墨烯先制成母料,在PC中加入3%就可以达到渗逾值,电导率达到1.2×10-4S/cm。而直接加入石墨烯微片,渗逾值高达9%

04原位处理技术

1)溶液包覆

对于采用溶液法合成的石墨烯,在合成过程中和最终产品都是溶液。可以采用原位聚合物的方法先将待包覆粉末加入反应釜,在反应过程中尺寸纳米剂的石墨烯会在微米剂粉末上进行反应,最好包覆在粉末上面,并且不会团聚。例如深圳本征方程石墨烯有限公司在容易聚合物中对金属铜、镍、氧化亚铜等您先包覆处理,包覆铜可以达到银的导电效果,包覆氧化亚铜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时,将聚合物单体如PMMA、尼龙6等和引发剂一起加入,同时进行聚合反应。(作者:深圳市高分子行业协会,王文广教授级高级工程师)

转载自石墨烯资讯


地址:北京市海淀区苏家坨镇翠湖南环路13号院中关村翠湖科技园2号楼

邮编:100095 传真:010-83432600

北京石墨烯研究院 版权所有 京ICP备17046994号-1

官方微信