江苏合成石墨烯复合材料图片

    随着工业生产和科学技术的发展,人们对导电材料提出了更新、更高的要求。目前,导电高分子材料的研究主要集中在碳系导电填料填充热塑性基体类上,而石墨烯[1](GNS)作为一种新型的单原子层碳材料,因其独特的结构对改善聚合物的力学性能、电性能和热性能等具有很大的潜力。GNS的制备方法主要有:化学气相沉积法[2,3]、外延生长法[4]和氧化还原法[5]等。相比而言,氧化还原法具有成本低、产率高等特点,有望成为规模化制备GNS的有效途径之一。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有极好的耐磨性,良好的耐低温冲击性和自润滑性。本文采用溶液混合、超声分散的方法制备了GNS/UHMWPE复合材料,发现GNS能均匀地分散到UHMWPE基体中;同时研究了GNS/UHMWPE复合材料的室温导电行为和阻-温特性。 氧化石墨烯分散液为棕黑色溶液。江苏合成石墨烯复合材料图片

氧化石墨烯可以用于提高环氧树脂、聚乙烯、聚酰胺等聚合物的导热性能。通常而言，碳基填料可以提高聚合物的热导率，但无法像提高导电性那么明显，甚至低于有效介质理论。其原因可能是因为热能传递主要是以晶格振动的形式，填料与聚合物之间以及填料与填料之间较弱的振动模式也会增加热阻。液态硅橡胶（LSR）广泛应用于电子器件的密封。然而，在一般情况下，LSR的导热性较差使得涂层或盆栽器件散热过量，从而导致器件损坏或寿命降低。为了缓解这一现状，Mu等人研究了宽体积范围内填充ZnO的硅橡胶的热导率，并研究了形成的导电粒子链对热导率的影响。同时也研究了Al2O3用量对硅橡胶导热性能和力学性能的影响。 江苏合成石墨烯复合材料图片常州第六元素是专业从事石墨烯研发、生产及销售的专精特新小巨人企业。

利用GO提升复合材料的力学性能是GO一个主要应用场景，其中的关键是提高GO在复合材料中的分散性和调控GO与高分子基体间的相互作用38。一般而言，加入GO可以***增强复合材料的强度与韧性，且GO与高分子基体相容性越好，增***果越明显；反之则效果降低，甚至会降低材料的韧性。尤其是rGO由于官能团较少，加入复合材料中通常在增强材料强度的同时降低韧性。不同的添加方式会导致不同的效果。原位聚合的方法既可以提高GO在高分子基体中的分散性，又能保证GO与高分子基体之间较好的化学键合；溶液共混法制备的复合材料中，GO分散性较好，但界面较难调控；熔融共混法中GO较难分散并不容易控制界面，得到的复合材料性能不易控制。

由于表面富含活性含氧基团，能与一些含极性基团的聚合物产生较强的作用力，所以氧化石墨烯通常被作为一种纳米填料添加到聚合物当中以增强聚合物的物理性能。Liang等人报道了用氧化石墨烯增强聚乙烯醇的研究，他们发现氧化石墨烯添加量*为0.7wt%时，聚合物的力学性能就得到了***的提高，如杨氏模量提高了76%，而比较大拉伸强度提高了62%[62]。Cai等人利用氧化石墨烯增强聚氨酯，发现当氧化石墨烯添加量为4.4wt%时，聚合物基体的杨氏模量和硬度分别增加了900%和327%[63]。Xu等人同样制备了氧化石墨烯/聚乙烯醇复合材料，不过他们用了一种新颖的抽滤成膜的方式，在得到的复合材料薄膜中，由于真空抽滤产生的向下的吸引力，使二维的氧化石墨烯片层以有序的状态排列于聚合物基体之中，得到―砖墙式‖结构的复合材料薄膜[64]。这种复合材料的性能变化与氧化石墨烯含量的变化成近似正比的关系，如图1-5所示。Putz等人同样用这种方法制备了高含量氧化石墨烯的聚乙烯醇及聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，这种材料的杨氏模量更是可高达接近40GPa，远远超过了一般聚合物/无机纳米复合材料所能达到的力学性能范围[65]。氧化石墨易于接枝改性，可与复合材料进行原位复合。

聚合物太阳能电池常采用氧化铟锡（ITO）作为透明导电电极。其中ITO成本较高，机械稳定性较差，即使在很小的外界机械应力作用下ITO膜也易产生微裂纹导致膜电阻增加，从而使光电器件的性能下降。石墨烯优异的光学性能和机械强度及韧性，使其在柔性光伏器件的透明电极中具有更好应用潜力[97]。Xu等[98]将氧化石墨烯溶液旋涂成膜，然后在700 ℃下用肼蒸汽还原，所得石墨烯薄膜的薄层电阻为1.79×104 Ω／sq，电导率为22.3 S／cm，将其在有机光伏电池中（OPVs）作为透明电极，所得器件的功率转换效率为0.13%。这种方法制备得到的石墨烯薄膜不仅可以用于有机光伏电池，还可以用于其他光学器件，例如平板显示器等。Zhang等[99]对氧化石墨烯进行950 ℃热还原，再使用标准工业光刻以及O2等离子体蚀刻工艺对还原的石墨烯薄膜进行精确可控地刻蚀，制备了石墨烯网状透明电极（GME），提高了电极的透光率。氧化石墨烯分散液在水中具有很好的分散性，样品单层率＞90%，产品经轻微搅拌就可与水相互溶。江苏合成石墨烯复合材料图片

第六元素石墨烯产品品种多。江苏合成石墨烯复合材料图片

许多对聚合物/碳纳米管纳米复合材料的研究目的在于开发和利用碳纳米管出色的力学性能，同时对聚合物基体引入一些新的性能，比如导电性、导热性等。但是，尽管许多工作集中在聚合物/碳纳米管纳米复合材料的研究上，许多问题仍然存在。相比于碳纳米管，制备基于石墨烯的结构和功能体系更加可行，这是因为石墨烯具有更大的比表面积，更强的界面结合力，以及同样出色的物理性能。完美石墨烯的杨氏模量和断裂强度高达1TPa和130GPa[41]，而制备复合材料**常用的改性及还原石墨烯的杨氏模量也可达到250GPa[57,58]，高出一般的聚合物2~3个数量级，因此，在聚合物中加入改性或还原石墨烯同样能有效地增强聚合物的力学性能。江苏合成石墨烯复合材料图片