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石墨烯為什么難以分散?如何解決?

日期:2018-03-23 12:51:04    作者:院辦公室    瀏覽量:3993 次

目前石墨烯的各類合成技術都已經成熟,關鍵是石墨烯材料難以在其他基體中分散,是制約其大規模應用的難點。沒有大規模應用,石墨烯就沒有發展的動力。石墨烯為什么難以分散?如何使石墨烯與其他材料相容?

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目前石墨烯的各類合成技術都已經成熟,關鍵是石墨烯材料難以在其他基體中分散,是制約其大規模應用的難點。沒有大規模應用,石墨烯就沒有發展的動力。石墨烯為什么難以分散?這是由于其特殊的結構所決定的,具體原因如下:

1、片狀結構

石墨烯為典型的片狀結構,尤其是化學氣相沉積法生產的石墨烯厚度又很薄,在復合過程中很容易造成片狀結構的褶皺,嚴重的甚至變程團狀,破壞了片狀結構的特性,達不到應有的改性效果。尤其是采用CVD方法生產的石墨烯薄膜,片狀結構特性更強。

2、分子間力

單層石墨烯層間的范德華力很大,外來物質和外來力很難打開,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,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,一般尺寸般達到10層(5納米)以上后范德華力會減弱一些,外來物質材可以打開,添加到復合材料中才可以分散。但是層數要達到10層以上,就已經成為石墨烯片了,很多改性作用發揮不出來。

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

3、相容性問題

石墨烯材料分子結構上官能團成分很少,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:

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01混合添加

采用片狀/球狀材料復合混合利于分散,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構成的穩定化合物,呈現出化學惰性,但是氧化還原法石墨烯在片狀的邊緣引入了親水基團,可以進行表面功能化改性。

1)表面接枝處理  

采用諸如異氰酸酯、硅烷偶聯劑、有機胺、重氮鹽等試劑可以實現石墨烯的表面功能化。對單層石墨烯進行功能團接枝改性,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合材料。

例如石墨烯懸浮液與異氰酸酯在氮氣存在下反應24小時,異氰酸酯可以與氧化還原反應石墨烯片層的邊緣羥基或者羧基反應,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,可以生成硅氧鍵,進行功能化改性的石墨烯可以分散在水、乙醇、DMFDMSOAPTS中。

2)表面等離子體處理: 采用四氟化碳等離子體進行處理。

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介質聚合物材料,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,然后用二甲肼進行還原,復合材料的電導率達到0.1S/cm。將石墨烯先制成母料,在PC中加入3%就可以達到滲逾值,電導率達到1.2×10-4S/cm。而直接加入石墨烯微片,滲逾值高達9%

04原位處理技術

1)溶液包覆

對于采用溶液法合成的石墨烯,在合成過程中和最終產品都是溶液。可以采用原位聚合物的方法先將待包覆粉末加入反應釜,在反應過程中尺寸納米劑的石墨烯會在微米劑粉末上進行反應,最好包覆在粉末上面,并且不會團聚。例如深圳本征方程石墨烯有限公司在容易聚合物中對金屬銅、鎳、氧化亞銅等您先包覆處理,包覆銅可以達到銀的導電效果,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,將聚合物單體如PMMA、尼龍6等和引發劑一起加入,同時進行聚合反應。(作者:深圳市高分子行業協會,王文廣教授級高級工程師)

轉載自石墨烯資訊


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