1 石墨烯的結構及其基本性質
(中國粉體技術網/小悅)石墨烯是碳原子周期性排列形成的一種二維蜂窩狀材料,其晶體結構如圖1所示。它可以翹曲成零維的富勒烯,卷成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨,如圖2所示。因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元,其厚度僅為一個碳原子層的厚度。
圖1 石墨烯晶體結構 圖2 石墨烯形態
石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環,是目前最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣,可以看作是一層被剝離的石墨分子,每個碳原子均為sp2雜化,并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵,π電子可以自由移動,賦予石墨烯良好的電光熱特性。包括室溫下高速的電子遷移率、半整數量子霍爾效應、自旋軌道交互作用、高理論比表面積、高熱導率和高模量、高強度,被認為在單分子探測器、集成電路、場效應晶體管等量子器件、功能性復合材料、儲能材料、催化劑載體等方面有廣泛的應用前景。二維石墨烯結構可以看是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元,具有極高的機械強度,優異的導熱性能和極大的比表面積,其載流子遷移率高達15000cm2·v-1·s-1,而且它還具有室溫量子霍爾效應和室溫鐵磁性等特殊性質。與碳納米管相比,石墨烯的主要性能指標均與之相當甚至更好,并且石墨烯來源豐富、成本低、易于大規模生產。
石墨烯優異的性能,較大的比表面積和較低的生產成本,在改性和還原后對改善高分子的力學性能、熱性能和電性能等方面具有很大潛力,非常適合開發高性能的復合材料。
2 石墨烯高分子納米復合材料的性能
我國對石墨烯高分子納米復合材料的研究仍處在起步階段,但是發展卻很快,石墨烯經過改性和還原后可在高分子基體中形成納米級分散,在改善高分子的力學性能、熱性能和電性能等方面表現出很大的潛力。
2.1 力學性能
對于石墨烯基高分子納米材料,由于擁有較大的比表面積和出眾的性能,得到結構上和功能上的優良體系是非??赡艿摹@肁FM的納米壓痕技術,完美的石墨烯片層本征強度為130GPa,其彈性模量為1.0TPa,所以石墨烯在高分子納米復合材料的力學增強方面是一個很不錯的選擇。采用化學剝離的方法制備了可溶于水的石墨烯,并通過溶液共混法分別制備了石墨烯增強聚乙烯醇復合材料和聚氨酯復合材料,研究結果表明:向聚乙烯醇中添加0.7% (質量分數) 的石墨烯就可以使復合材料的拉伸強度和楊氏模量分別提高76% 和62%;對于石墨烯增強聚氨酯復合材料而言,當復合材料中石墨烯含量為1 %時,聚氨酯復合材料的強度和模量分別提高了75% 和120%。
2.2 電性能
石墨烯具有超大的比表面積,容易在聚合物基體中形成良好的導電網絡,而且石墨烯具有很高的電子遷移速率。將苯基異氰酸酯功能化的石墨烯添加到聚苯乙烯基體中,然后用二甲肼進行還原,最后得到了導電性能優異的聚苯乙烯/石墨烯復合材料,其在常溫下的導電逾滲閥值僅為0.1%(體積分數),當石墨烯添加的體積分數為1%時,復合材料的電導率已經高達0.1 S/m,可以滿足很多場合下對材料導電性的要求。
2.3 熱性能
石墨烯具有極高的導熱系數和超大的比表面積,可以作為一種很好的填料來顯著提高材料的導熱性能。但是經過氧化還原法制備的石墨烯的熱導率較低,僅為0.14-2.87W/(m•K),這可能是由于在氧化還原的過程中,石墨烯的結構被破壞,晶格缺陷阻止了熱傳導的作用。另外,石墨烯的剝離程度、取向以及界面的相互作用都會影響復合材料的熱傳導。目前,采用石墨烯片GNP( graphite nanoplatelet ) 提高其復合材料的熱傳導性的聚合物包括:環氧樹脂、PP、PE、PA以及石蠟。
當質量分數只為0.25%的功能石墨烯片層被混合到硅泡沫基體中,可使該復合材料的熱導率增長6%。此外,被植入了幾層石墨烯片層的環氧基樹脂的熱導率增長能超過30倍。這樣的結果,可以看出其比鋁、銀和二氧化硅等許多傳統的填料優秀,而且這些傳統的填料則需要裝載較多的量才能達到同樣的效果。
2.4 其他性能
石墨烯的加入還可以影響到高聚物的其他性能,比如其玻璃化轉變溫度(Tg)和結晶性能等。向聚丙烯腈中加入1% (質量分數)的功能化石墨烯就可以使其Tg提高近40℃;含0.05%(質量分數)石墨烯的聚甲基丙烯酸甲酯,其Tg與純的聚合物基體相比提高將近30℃。此外石墨烯還可以影響聚合物的結晶性能,研究發現石墨烯可以作為聚乳酸的異相成核劑,明顯縮短其結晶誘導周期并加快其結晶速率。
?歡迎進入【粉體論壇】
|