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石墨烯的分散及其在重防腐涂料中的應用

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分散是實現先進碳材料應用的重要前提之一,對于石墨烯類材料尤為重要,一方面,石墨烯神奇的性能是純石墨烯單片尺度上的性能,聚集或不適當改性的石墨烯部分或全部失去了那些神奇的性能;另一方面,制備工藝過程對可操作性、可加工性(如旋圖)要求將石墨烯分散在水或有機溶劑中。

而由于π-π耦合、范德華力和高比表面積,石墨烯會發生不可逆的團聚現象,甚至重新排列回石墨結構,導致制備石墨烯的穩定分散十分困難,目前來看,石墨烯的分散還有很多基本問題有待解決。

一、石墨烯分散是實現產業化的必經之路

 

石墨烯產業化應用研究邏輯進程 

如上所示,石墨烯產業化必須要解決兩個基本問題:

一是石墨烯的制備技術,即在合理價格得到具有接近理論性質的石墨烯產品,現今石墨烯工業化產品性能參差不齊,遠達不到理論水平;

二是石墨烯的分散技術,即不損害石墨烯結構與性能的高度分散方法。

只有上述兩個問題得到有效解決,石墨烯價值才能在商業上實現。

二、     石墨烯分散需要解決六大基本問題

Ø  石墨烯分散的挑戰性首先源于對石墨烯深度分散的必然要求,將石墨烯分散到單片或初級粒子狀態;

Ø  源于石墨烯對通過化學改性實現分散這一手段的低容忍性甚至抵觸性;化學改性,勢必干擾或一定程度上破壞π-π的完整性,從而降低或失去本征態石墨烯的優異性能;

Ø  源于石墨烯本身既不親水又不親油的結構特征;一般的分散劑分子又較難與石墨烯形成較強的物理吸附作用,所以使用表面活性分散石墨烯的物理手段也將受限;

Ø  源于石墨烯的π-π結構和強的范德華力,使石墨烯極易團聚,而且團聚體難以再分開;

Ø  還源于石墨烯極高的長徑比和比表面積;

Ø  石墨烯的分散還面臨著實際生產操作性方面的難題。例如,4%濃度的水型石墨烯漿料已是膏態,不具有流動性,這為生產過程中物料傳輸、分散和化學反應造成了困難。

三、石墨烯的分散方法簡介

 

四、石墨烯的分散在重防腐涂料中的應用

高性能的石墨烯重防腐涂料制備關鍵技術就是石墨烯的分散問題。余海斌團隊設計并合成了具有電活性和緩沖能力的π-表面活性劑。通過π-π相互作用使石墨烯在分散劑作用下可高效分散在水和有機溶劑中。

通過分散劑和石墨烯的紅外、拉曼、紫外的特征峰位移證明分散劑與石墨烯之間存在π-π相互作用,通過透射電鏡和原子力顯微鏡分析表明石墨烯在溶液中主要以3~5層的納米片層形式存在。

分散改性石墨烯表征:

 

a)紅外譜圖;(b)拉曼光譜圖;(c)紫外譜圖;(d)透射電鏡照片

使用TEM對分散劑對石墨烯在樹脂中的分散效果進一步表征可發現石墨烯在樹脂中分散效果良好,無團聚現象且石墨烯均勻無規則的排列在樹脂基體中,研究結果表明,分散劑處理后的石墨烯可高效地分散在環氧樹脂、聚氨酯樹脂等涂料樹脂中。

研究結果表明,石墨烯可以明顯提高樹脂基體的防護性能。值得一提的是,石墨烯的分散狀態及含量與涂料整體防護性能有重要聯系。若石墨烯分散不均勻,石墨烯不僅起不到好的作用,還可能形成水汽通道,加速涂層的腐蝕失效。

五、小結

分散是實現石墨烯材料產業化的重要前提之一,而目前關于分散石墨烯粉體的研究報道極少,這一方面是由于目前制備手段很難獲得一定量的石墨烯;另一方面,石墨烯即使得到生產,估計也不會以純粹的粉體狀存在,因為沒有經過穩定化處理的石墨烯有可能重新團聚成石墨(片)。所以,目前的研究重點是物理或在弱的化學條件下剝離石墨并形成穩定的石墨烯分散系統。

物理分散法一般分散能力有限,化學分散法雖然分散能力強,但是一般會導致共軛片層結構出現缺陷,相比較而言,非共價鍵修飾的官能團是一個較好的方式,基于范德華力和π-π相互作用,可以在石墨烯表面接枝比較好的高分子,這樣可以避免產生缺陷及破壞片層表面的共軛結構。

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