不同尺寸的氧化石墨烯液晶性能的研究

刘成

【摘 要】偏光与流变分析表明，不同氧化石墨烯的片层的大小对液晶产生有明显的影响，而且，大尺寸的氧化石墨烯片可以降低液晶的临界相转变浓度。这一发现将为未来一维、二维乃至三维碳材料以及高度有序的碳基复合材料的应用提供了便捷条件。

【关键词】氧化石墨烯；液晶；偏光；流变

【Abstract】Polarization and rheological analysis shows that different sized graphene oxide sheets will have an effect on its liquid crystal properties.And large sheets can reduce the concentration liquid crystal phase transition.It is convenient for us to exploiting one-，two- and even three dimensional carbon material and highly ordered carbon-based composite material in the future.

【Key words】Graphene oxide； Liquid crystals； Polarization； Rheological

0 引言

石墨烯是由单层的石墨片层组成，这些石墨片层均由SP2杂化碳原子构成的六元环相互结合而成，这种材料因具有高强度、高导电等性能在多领域具有很大的潜力。很多研究者开始采用通过石墨氧化得到氧化石墨烯，通过它的液晶性的高度有序特性来实现一维、二维乃至三维高度有序碳材料的制备。高超之前已经通过液晶GO的自组装制备得到有序性的一维纤维与三维气凝胶，然而对于不同尺寸GO液晶性的差异的深入研究并未提到。

本文通过对不同尺寸的GO采用偏光与流变进行分析，得出不同尺寸GO液晶性差异的机理，为后续的改进石墨烯有序材料的研究提供了一定的参考。

1 实验部分

1.1 实验药品与仪器

氧化石墨烯，去离子水，磁力搅拌仪、超声机、旋转流变仪等。

1.2 氧化石墨烯溶液的制备

将一定量的不同尺寸的氧化石墨烯分散于去离子水中磁力搅拌过夜，超声半小时，得到均一的分散液。

2 结果与讨论

2.1 大小片层氧化石墨烯溶液的偏光分析（图1）

由实验结果可以看出，不论是对于小片层还是大片层的GO，随着GO浓度的增大，液晶性依次增强，对于小片层而言，当GO浓度为0.075wt%时，溶液几乎呈现各向同性，浓度达到0.1wt%，出现详列相区域，且随着浓度的继续增大，向列相区域更大。这是由于GO本身含有大量的含氧官能团，分散于水中一部分发生去质子化，片层之间产生大量的负电荷形成静电排斥，形成了GO的排斥体积，这样片层之间的π-π共轭与体积排斥成为取向的驱动力，随着浓度的增大，二者竞争的结果就是片层的取向程度的逐渐增大。故向列相区域密度逐渐增大。

对于不同片层的GO液晶态而言，结果表明片层越大，液晶区域越明显。这是由于液晶的形成包括两个重要参数，液晶粒子的宽厚比以及水溶性。GO片层作为刚性纳米粒子，片层越大，由昂萨格理论可以得知液晶区更明显。

2.2 大小片层氧化石墨烯溶液的偏光分析（图2）

由实验数据可得，随着GO浓度的增大溶液黏度有一个先增大后降低再增大的过程，这是由于低浓度时，片层之间呈现无规分布，随着浓度的增大，片层的分布密度增大，片层与片层之间由于静电作用导致在剪切作用下摩擦阻力增大，剪切黏度升高。当质量浓度增大到一定浓度时，片层之间的在排斥体积作用的驱动下，取向程度增大，各向异性程度增加，在剪切作用下，片层之间发生滑移，黏度下降，当浓度增大到完全取向的情况下黏度下降至最低值，而浓度继续增大，分子之间的摩擦作用完全掩盖掉分子片层之间的滑移，黏度增大。

对于大小不同的GO溶液的流变特性分析得出，大片层的GO的各向同性与各向异性之间的两相转变浓度明显提前，这充分证实了上面得出的结论，片层尺寸增大，液晶相更加明显的结论。

3 结论

从偏光与流变上得出结论，GO片层的增大将会使得溶液的两相转变浓度体现，这在碳材料中一维、二维乃至三维高度有序碳材料的研究与开发中将具有广阔的发展前景。

【参考文献】

[1]Aqueous Liquid Crystals of Graphene Oxide[J]. ACS NANO，2011，5：2908-2915.

[2]Rheological Properties of Graphene Oxide Liquid Crystal[J].Carbon，2014，80：453-461.

[责任编辑：杨玉洁]