石墨烯/聚合物导电纳米复合物的制备及性能

王啟明

摘要：石墨烯是一种新颖且非常独特的二维结构材料，它具有许多特殊而优异的性能，例如特别好的导电性，导热性，机械性能和单层透光率。因此，石墨烯具有广阔的应用前景。石墨烯可以与高分子聚合物混合以获得具有优异性能的复合材料。本文对石墨烯/聚合物导电纳米复合物的制备及性能进行了探讨。

关键词：石墨烯;石墨烯聚合物导电纳米复合物;制备及性能

石墨烯从2004年被发现以来，其凭借其出色的机械，光学，电学，热学性能和独特的二维结构，已成为材料领域的研究热点。石墨烯应用领域的重要研究方向是石墨烯复合材料的制备与性能研究。

1石墨烯概述

石墨烯是由二维蜂窝状晶格构成的单层扁平碳原子。它被认为是碳材料其它尺寸的基本单位。石墨烯可以被包裹成零维的富勒烯，并被卷成一维的纳米管或三维堆积的石墨。

石墨烯层上六元碳环中的每个碳原子通过共价键与三个周围的碳原子相连。共价键能非常強，形成非常稳定的共价结构，三个键角均为120°，从而使得石墨烯在平面方向上有很强的力学性能。碳原子上的三个价电子与周边相连的碳原子结合成很强的sp2杂化的共价键，而剩下的单独碳原子与相邻平面上碳原子的单独碳原子形成共轭的π键，这剩下的单独碳原子被称作π电子。π电子可以非常自由且快速在石墨烯层层平面上迁移，正是π电子的高移动速率使得石墨烯具有非常好的导热性、导电性和其他性能。

2石墨烯/聚合物复合材料的制备

（1）原位插层聚合反应原位插层聚合反应的原理是先将石墨烯或改性石墨烯分散在液态聚合物单体中。加入合适的引发剂使其均匀分散，然后通过加热或辐射引发聚合。许多纳米复合材料通过此法制备。

（2）溶液插层聚合反应溶液插层聚合反应基于一定的溶剂体系，该体系要求聚合物或预聚物可溶，并且石墨烯或改性石墨烯片层可溶胀或分散。石墨烯或改性石墨烯是靠弱作用力将片层堆积在一起的，能较容易地分散在合适的溶剂里，如水、丙酮、氯仿、四氢呋喃、二甲基甲酰胺和甲苯。聚合物吸附在剥离的片材上。当溶剂蒸发时，片材被重组以形成夹心结构的聚合物复合材料。该方法的优点是可以应用于低极性或非极性聚合物插层复合材料的合成，但是去除溶剂是关键问题。

（3）熔融插层聚合反应在熔融插层法中不需要溶剂，石墨、石墨烯或改性石墨烯直接与熔融态聚合物混合。热塑性聚合物与石墨、石墨烯或改性石墨烯通过常规方法，如挤出和注塑，在高温下物理共混。然后无机物被插层或剥离形成复合材料。这是制备热塑性复合材料常用的方法。不适合吸附或原位聚合方法制备的聚合物可以通过此法制备。

3石墨烯/聚合物复合材料的性能

3.1力学性能

对于石墨烯聚合物复合材料，由于其大的比表面积和出色的性能，非常有可能获得出色的结构和功能体系。利用AFM的纳米压痕技术，完美的石墨烯片层本征强度为130GPa，其弹性模量为1.0TPa。所以石墨烯在高分子纳米复合材料的力学增强方面是一个很不错的选择。

通过浇铸成膜法制备PLA/氧化石墨烯/石墨烯片纳米复合薄膜氧化石墨烯/石墨烯片的添加量为0.2至1（wt）%。增塑复合薄膜的屈服强度和杨氏模量比纯PLA高100%。将GO加入PVA基体中的简单环境友好的方法制备PVA/石墨烯纳米复合材料。GO含量仅为0.7（wt）%（0.41（V）%）时，拉伸强度和杨氏模量分别增加76%（从49.9MPa增至87.6 MPa）和62%（从2.13GPa增至3.45GPa）。这是由于石墨烯片层大的宽高比，PVA基体中石墨烯片层分子水平的分散和石墨烯与PVA间氢键引起的强界面粘结。

3.2热性能

为了提高功能聚合物的热稳定性，可以将它们植入具有优异热性能的材料，例如石墨烯基质填料。对功能化石墨烯聚合物复合材料做了系统研究，他们发现在聚甲基丙烯酸酯中加入质量分数为0.05%的功能化石墨烯片层玻璃化温度可提高近30℃。在聚丙烯腈中加入质量分数为1%的功能化石墨烯片层，玻璃化温度可提高大约40℃，这样大大提高了这两种聚合物的强度，模量及热稳定性，远强于碳纳米管改性聚合物复合材料。

除了提高聚合物的热稳定性以外石墨烯基体填充材料也能够提高聚合物的热导率。环氧树脂中加入1（wt）%GO提高导热性程度与加入1（wt）%SWNT相似。添加5（wt）%GO后导热率为1W·mK-1，是纯环氧树脂的4倍。GO添加到20（wt）%时，导热率为6.44W·mK-1。这些结果显示了石墨烯聚合物复合材料是有前途的导热材料。

3.3电性能

石墨烯是由碳原子排布在蜂窝状格栅上的单层纯碳材料，即使被切成1mm宽的原件，导电性依然很好。石墨烯片层能够为电子转移提供渗透途径，从而使得复合材料能够导电。在一定的加载量下，填料能够形成网络从而导致复合材料导电性能的突然增长。将高电导率的石墨烯作为填料添加到聚合物基体中将对基体材料导电性的提高很有帮助。

PS/GNPIL复合材料采用与异氰酸盐改性的PS/石墨烯纳米复合材料相似的方法制备。复合材料样品压成厚度约2mm的薄膜，测量其导电性。用四探针法测得纯PS的导电率约为10～14sm-1。向PS基体中添加0.38（V）%GNPIL时导电率迅速增加至5.77sm-1。

4石墨烯/金属复合材料研究现状

使用高速球磨机和高剪切均质机制备出少层石墨烯和纳米铜粉的复合粉体，随后采用电火花烧结工艺制备出少层石墨烯增强的铜基复合材料，复合材料的压缩性能测试表明其屈服强度达到476MPa。利用片状粉末冶金技术制备含有0.3（wt）%石墨烯增强体的Al基复合材料，其抗拉强度达到249MPa，比纯Al提高62%。运用两步法制备石墨烯增强的ZnO复合材料，其含量为6.7（wt）%，发现石墨烯在ZnO基体中部分重叠形成三维网状结构，与纯ZnO相比，复合材料的比电容提高128%。利用石墨烯优异的热学性能制备含有5（V）%石墨烯增强体的金属微纳米复合材料，温度在300～400 K之间时该材料的热导率提高5倍。

5结语

石墨烯的优异的机械，电，磁和热力学性能使其在复合材料的基体上有了很大的改进。无论是陶瓷，水泥，金属还是聚合物，添加石墨烯后的性能均得到改善。但是目前，关于石墨烯复合材料的研究还很少，许多改进的机理还不清楚。同时，关于石墨烯在复合材料基体上的研究仍不清楚，许多有关体积改进的研究集中在力学性能上，而研究了由于石墨烯对基体的电，磁和热力学性能的变化。石墨烯的添加相对较少。

参考文献：

[1]樊玮，张超，刘天西.石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[J].复合材料学报，2017，30（1）：14-21.

[2]杨帅.少层石墨烯增强铜基复合材料制备和性能研究[D].哈尔滨工业大学硕士论文，2011.

（作者单位：安徽科达新材料有限公司）