高传导性石墨烯材料的加工与应用研究

史俊斌

新奥石墨烯技术有限公司 河北廊坊 065000

石墨是由碳原子结构层堆垛而成的层状矿物，其结构层内碳原子通过共价键连接，结构层之间是靠分子力连接。石墨具有优良的导电性、导热性、化学稳定性等，通过加工可以获得纳米石墨片、氧化石墨、氧化石墨烯、石墨烯等矿物材料。近年来，石墨加工制备高附加值的矿物材料方法较多，其中利用石墨自身的导电导热性能，加工获得传导材料是现今的研究重点。石墨导电材料的稳定性、加工性、导电性能和导热性能的优劣，直接影响其应用。如何制备具有优良稳定性能、高电导性能且易于加工的石墨导电导热材料引起众多研究者的关注[1]。

1 氧化还原法制备石墨烯试验

1.1 原料、试剂及装置

天然鳞片石墨原料采自内蒙古兴和大鳞片石墨，含碳量≥95.0%。采用140目、180目、200目、325目、400目、500目标准筛振动筛分，取不同粒级石墨粉备用。

1.2 实验步骤

（1）氧化石墨样品制备。①低温阶段：量取30mL质量分数为98%浓硫酸，倒入放有搅拌子的150mL烧杯中搅拌，将称取的1.000g石墨缓慢（勺子轻敲烧杯壁，使粉状石墨缓慢散入烧杯）加入烧杯中，在低于冰水浴中进行磁力搅拌20min，继续磁力搅拌，并在搅拌过程中，控制速度缓慢加入高锰酸钾（研磨，加入方法同石墨），在冰水浴中保持60min；②中温阶段：在搅拌过程中，将体系温度升至约37℃，并保持120min；③高温阶段：保持搅拌，匀速向烧杯中加入一定量的去离子水（用100℃温度计引流并观察温度在范围内），控制反应温度低于60℃直至反应体系温度不再上升，停止加入超纯水；④用胶头滴管滴加适量5%浓度的H2O2直至体系无气泡产生，然后加入5滴5%浓度的HCl，磁力搅拌10min使体系混合均匀；⑤将溶液转入1000mL烧杯中，加去离子水洗至pH≥6，获得GO凝胶。

（2）氧化石墨烯分散液制备。①将上述凝胶放入1000mL烧杯中，加入去离子水定容至1000mL；②放入超声波清洗仪中超声120min（控温≤30℃）；③放入离心管中，离心机转速5000r/min离心5min，取出上层氧化石墨烯分散液保存，备用；④取出下层放入250mL烧杯中，继续加入定容至200mL，搅拌5min，放入离心管中离心，取出上层氧化石墨烯分散液保存。将下层取出，烘干称重。

（3）石墨烯粉体制备。①配置10mg/mL氧化石墨烯分散液100mL，放入150mL锥形瓶中，加入一定体积5mg/mL的CTAB溶液；②将样品放置于60℃恒温水浴震荡箱中震荡2h，取出后过滤，并用酒精洗涤后采用冷冻干燥获得GO-CTAB系列氧化石墨烯粉体（GO-CTAB-0样品由于没有沉降物，不过滤，直接冷冻干燥获得粉体）。③将GO-CTAB氧化石墨烯粉体放置于管式炉中，在N2气氛下，以10℃/min的升温速率从室温升高至500℃，保温2h，自然冷却至室温，获得还原氧化石墨烯RGOs样品。

2 高传导性石墨烯材料的应用

2.1 CNT/水性聚丙烯酸涂层导电性能

研究CNT的电导率，目的在于探究CNT在水性聚丙烯酸树脂中的导电阈值，为后期做CNT/P-RGO/树脂涂层的制备与分析提供参考。研究发现，随着CNT含量的增加，涂层的电阻率逐渐降低，尤其是在CNT添加量为20%时为一个转折点，20%前电阻率下降快，当添加量大于20%后，电阻率的减小缓慢。此外，CNT/聚丙烯酸树脂涂层的电阻率均远大于P-RGO/聚丙烯酸涂层，当CNT添加量达到50%时，其电阻率为700mΩcm，电导率仅为142.857S/m。分析认为，P-RGO样品的导电性能远高于CNT，所以当二者作为导电填料添加到树脂涂层中时，材料自身电导率的差异对涂层的整体电阻率的影响较大[2]。

2.2 P-RGO薄膜导热性能

对P-RGO薄膜的导热系数进行测试，从测试结果可以看出，P-RGO薄膜在X方向的热扩散系数为273.5149mm2/s，导热系数为393.7280W/（m.K），体积热容为1.4359MJ/m3.k。P-RGO薄膜在Z方向的热扩散系数为273.5961mm2/s，导热系数为393.6226W/（m.K），体积热容为1.4387MJ/m3.k。从数据的分析可知，P-RGO薄膜具有良好的导热性能，并且在X方向与Z方向的导热系数差距不大。分析认为，主要原因是P-RGO采用氧化法制作，在高温下热还原获得，由于石墨烯的柔性，单片的石墨烯不是以片状通过扫描电镜下RGO的形貌分析可知，获得的石墨烯片在为各个方向上均有，最终导致材料的各向异性较小。薄膜的测试参数表明，涂层达到了传热-散热涂层的技术指标要求。

3 结语

石墨烯材料导电、导热的决定因素在于电子、声子传输，而影响其声子和电子传输的主要因素是石墨烯层内的晶体缺陷和石墨烯片层间的边界散射。故高导电、高导热石墨烯材料出现如下发展趋势：①成本低、产量高，以克服CVD法制备的石墨烯成本过高和产量低的问题；②能工艺批量生产，提高材料中石墨烯的单层率，以克服传统机械剥离法生产的产品质量不稳定和单片石墨烯含量低的不足；③向制备大片径、低缺陷的石墨烯材料方向发展，从而减小电子和声子的传输阻力和边界散射，提高材料的电导率与热导率[3]。