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在碳納米管上負載納米粒子得到了廣泛的關(guān)注和研究,這種新型的納米結(jié)構(gòu)也已經(jīng)在生物醫(yī)藥、催化、傳感器的領(lǐng)域取得了一定的進展。相對于碳納米管,石墨烯具有相似的穩(wěn)定的物理性質(zhì),但是具有更高的比表面積,因此,在石墨烯上負載納米粒子同樣有希望得到新的納米結(jié)構(gòu),并改變其物理特性而產(chǎn)生更為豐富的功能與應(yīng)用。除與納米粒子復(fù)合外,石墨烯與其他碳基納米材料也可復(fù)合組裝形成復(fù)合材料。Liu等人通過共價連接的方法制備了石墨烯/富勒烯復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)富勒烯修飾后的石墨烯非線性光學(xué)性能得到了顯著提高。Yang等人將碳納米管與石墨烯混合制備了一種新型的超級電容器,發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯含量為90%時比電容高達326.5F/g。同時,許多課題組也證明石墨烯/碳納米管復(fù)合材料在制備透明導(dǎo)電薄膜方面的優(yōu)勢,他們發(fā)現(xiàn)石墨烯與碳納米管混合后制備的導(dǎo)電薄膜在性能上要優(yōu)于單一組分的導(dǎo)電薄膜。超級銅具有優(yōu)異的高頻性能,強磁場下交流(頻率約1MHz)等效電阻,相比純銅低20%以上。上海合成石墨烯復(fù)合材料類型
還原石墨烯以及改性的石墨烯已經(jīng)被用在藥物載體、活細胞成像、生物分子檢測等生物領(lǐng)域[50]。相比于碳納米管,石墨烯基材料在生物領(lǐng)域的應(yīng)用有著明顯的優(yōu)勢。首先,它不含金屬催化劑等雜質(zhì),因此不會對細胞產(chǎn)生生物應(yīng)激。其次,改性的石墨烯的分散不需要表面活性劑而且具有更好的水溶性。再次,石墨烯極高的比表面積能使載藥量**提高。改性石墨烯同樣也被用在一些生物器件上,檢測生物細胞以及生物分子。它能作為界面對單個細菌進行識別,也能作為無標(biāo)記,可逆DNA檢測器,或是作為一種極性特定的分子晶體吸附蛋白質(zhì)/DNA[123]。石墨烯復(fù)合材料研發(fā)常州第六元素氧化石墨(烯)產(chǎn)能達到1400噸/年,石墨烯粉產(chǎn)能達到100噸/年。
材料的結(jié)晶無疑與材料的性能和應(yīng)用息息相關(guān)65。將氧化石墨烯與結(jié)晶材料復(fù)合,進而進行材料結(jié)晶過程的定向調(diào)整,可以實現(xiàn)材料性能的有效提升66。例如通過差熱法研究發(fā)現(xiàn),氧化石墨烯的負載量在不斷的提升的同時,聚合物類氧化石墨烯的結(jié)晶現(xiàn)象也得到了有效的緩解。隨著溫度的不斷降低,與原材料相比,氧化石墨烯聚合物復(fù)合材料的結(jié)晶速度變得緩慢。與此同時,材料的基本結(jié)構(gòu)并沒有隨著溫度的降低而發(fā)生明顯的改變。由此可見,一些氧化石墨烯聚合物復(fù)合材料可以被應(yīng)用于各種低溫環(huán)境當(dāng)中,實現(xiàn)耐低溫材料的更加廣泛的應(yīng)用。
石墨烯(graphene)是近幾年來發(fā)展起來的一種新型二維無機納米材料,自從其發(fā)現(xiàn)以來,石墨烯在化學(xué)、物理、材料、電子等各個領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景。尤其是它極高的機械強度,出色的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,以及豐富的來源(石墨),使其能作為一種理想的無機納米填料來制備聚合物復(fù)合材料。但是目前為止,石墨烯材料的大規(guī)模制備,以及如何將石墨烯均勻地分散到聚合物基體中并且優(yōu)化石墨烯與聚合物基體之間的界面作用力一直是科學(xué)界及工業(yè)界尚待解決的難題。本學(xué)位論文圍繞著這些問題,運用了多種新穎的方法實現(xiàn)了對石墨烯以及功能化石墨烯材料的合成,并制備了多種高性能的石墨烯/聚合物復(fù)合材料,這些材料在航空、運輸、生物醫(yī)藥等方面具有潛在的應(yīng)用價值。石墨烯抗靜電阻燃復(fù)合材料具備優(yōu)異的抗靜電性能和阻燃性能。
由于石墨烯獨特的電子結(jié)構(gòu)及良好的導(dǎo)電性,因此石墨烯很有可能成為組成納米電子器件的比較好材料。目前研究**為***也是**熱門的課題之一就是制備基于石墨烯的透明導(dǎo)電薄膜以代替昂貴的氧化銦錫(ITO)電極。由于氧化石墨烯可大規(guī)模生產(chǎn)并且可加工性極好,所以以氧化石墨烯為原料制備石墨烯透明導(dǎo)電薄膜是一種重要的制備手段。在這種方法中,首先通過旋涂、浸涂、真空抽濾、LB組裝等方法做成氧化石墨烯薄膜,再通過化學(xué)還原或者熱還原的方法將氧化石墨烯薄膜還原成為石墨烯薄膜[116]??茖W(xué)家們也開發(fā)出了其他一些利用石墨烯或者還原石墨烯的分散液制備透明導(dǎo)電薄膜的方法。比如,Li等人在還原氧化石墨烯之前先將體系的pH值調(diào)至10得到穩(wěn)定的石墨烯分散液,再通過噴涂的方法得到了透明導(dǎo)電薄膜[99]。Dai課題組用―熱膨脹-插層-剝離‖得到的石墨烯分散液為原料,利用LB組裝的方法得到了石墨烯透明導(dǎo)電薄膜,這種薄膜的薄膜電阻為8kΩ/sq,而可見光區(qū)的透過率為83%[113]。Biswas等人利用在水/氯仿這種二元體系的界面自組裝的方法得到了電阻為100Ω/sq,可見光透過率為70%的導(dǎo)電薄膜[117]。Coleman課題組將在有機溶劑中直接超聲剝離的石墨烯進行抽濾成膜,得到了電阻約為3kΩ/sq。氧化石墨易于剝離成穩(wěn)定的氧化石墨烯分散液,易于成膜。云南導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料研發(fā)
氧化石墨烯分散液在水中具有很好的分散性,樣品單層率>90%,產(chǎn)品經(jīng)輕微攪拌就可與水相互溶。上海合成石墨烯復(fù)合材料類型
用油胺與十八胺對GO進行改性,然后將其與丁苯橡膠(SBR)溶液混合均勻,然后共凝聚制得改性GO-SBR復(fù)合材料。無論在玻璃態(tài)和橡膠態(tài),改性的GO-SBR與純GO-SBR相比儲能模量均大幅提高;25°C時,7wt.%油胺改性GO和7wt.%十八胺改性GO分別使橡膠儲能模量提高了67%和39%。這其中主要的原因是胺基改性的GO相比于純GO在SBR中分散性更好,且與橡膠界面作用更強。兩種胺之間的性能區(qū)別主要是油胺含有雙鍵,在硫化過程中可以與橡膠交聯(lián),從而進一步提高橡膠性能43。同樣的現(xiàn)象在丁二烯-苯乙烯-乙烯基吡啶橡膠(VPR)中也被觀察到。在VPR中添加3.6vol.%的胺基改性GO,可以使復(fù)合材料的玻璃態(tài)模量提高21倍,橡膠態(tài)模量提高7.5倍,拉伸強度提高3.5倍上海合成石墨烯復(fù)合材料類型