不同尺寸的氧化石墨烯液晶性能的研究

劉成

【摘 要】偏光與流變分析表明，不同氧化石墨烯的片層的大小對液晶產(chǎn)生有明顯的影響，而且，大尺寸的氧化石墨烯片可以降低液晶的臨界相轉(zhuǎn)變濃度。這一發(fā)現(xiàn)將為未來一維、二維乃至三維碳材料以及高度有序的碳基復(fù)合材料的應(yīng)用提供了便捷條件。

【關(guān)鍵詞】氧化石墨烯；液晶；偏光；流變

【Abstract】Polarization and rheological analysis shows that different sized graphene oxide sheets will have an effect on its liquid crystal properties.And large sheets can reduce the concentration liquid crystal phase transition.It is convenient for us to exploiting one-，two- and even three dimensional carbon material and highly ordered carbon-based composite material in the future.

【Key words】Graphene oxide； Liquid crystals； Polarization； Rheological

0 引言

石墨烯是由單層的石墨片層組成，這些石墨片層均由SP2雜化碳原子構(gòu)成的六元環(huán)相互結(jié)合而成，這種材料因具有高強度、高導(dǎo)電等性能在多領(lǐng)域具有很大的潛力。很多研究者開始采用通過石墨氧化得到氧化石墨烯，通過它的液晶性的高度有序特性來實現(xiàn)一維、二維乃至三維高度有序碳材料的制備。高超之前已經(jīng)通過液晶GO的自組裝制備得到有序性的一維纖維與三維氣凝膠，然而對于不同尺寸GO液晶性的差異的深入研究并未提到。

本文通過對不同尺寸的GO采用偏光與流變進行分析，得出不同尺寸GO液晶性差異的機理，為后續(xù)的改進石墨烯有序材料的研究提供了一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品與儀器

氧化石墨烯，去離子水，磁力攪拌儀、超聲機、旋轉(zhuǎn)流變儀等。

1.2 氧化石墨烯溶液的制備

將一定量的不同尺寸的氧化石墨烯分散于去離子水中磁力攪拌過夜，超聲半小時，得到均一的分散液。

2 結(jié)果與討論

2.1 大小片層氧化石墨烯溶液的偏光分析（圖1）

由實驗結(jié)果可以看出，不論是對于小片層還是大片層的GO，隨著GO濃度的增大，液晶性依次增強，對于小片層而言，當GO濃度為0.075wt%時，溶液幾乎呈現(xiàn)各向同性，濃度達到0.1wt%，出現(xiàn)詳列相區(qū)域，且隨著濃度的繼續(xù)增大，向列相區(qū)域更大。這是由于GO本身含有大量的含氧官能團，分散于水中一部分發(fā)生去質(zhì)子化，片層之間產(chǎn)生大量的負電荷形成靜電排斥，形成了GO的排斥體積，這樣片層之間的π-π共軛與體積排斥成為取向的驅(qū)動力，隨著濃度的增大，二者競爭的結(jié)果就是片層的取向程度的逐漸增大。故向列相區(qū)域密度逐漸增大。

對于不同片層的GO液晶態(tài)而言，結(jié)果表明片層越大，液晶區(qū)域越明顯。這是由于液晶的形成包括兩個重要參數(shù)，液晶粒子的寬厚比以及水溶性。GO片層作為剛性納米粒子，片層越大，由昂薩格理論可以得知液晶區(qū)更明顯。

2.2 大小片層氧化石墨烯溶液的偏光分析（圖2）

由實驗數(shù)據(jù)可得，隨著GO濃度的增大溶液黏度有一個先增大后降低再增大的過程，這是由于低濃度時，片層之間呈現(xiàn)無規(guī)分布，隨著濃度的增大，片層的分布密度增大，片層與片層之間由于靜電作用導(dǎo)致在剪切作用下摩擦阻力增大，剪切黏度升高。當質(zhì)量濃度增大到一定濃度時，片層之間的在排斥體積作用的驅(qū)動下，取向程度增大，各向異性程度增加，在剪切作用下，片層之間發(fā)生滑移，黏度下降，當濃度增大到完全取向的情況下黏度下降至最低值，而濃度繼續(xù)增大，分子之間的摩擦作用完全掩蓋掉分子片層之間的滑移，黏度增大。

對于大小不同的GO溶液的流變特性分析得出，大片層的GO的各向同性與各向異性之間的兩相轉(zhuǎn)變濃度明顯提前，這充分證實了上面得出的結(jié)論，片層尺寸增大，液晶相更加明顯的結(jié)論。

3 結(jié)論

從偏光與流變上得出結(jié)論，GO片層的增大將會使得溶液的兩相轉(zhuǎn)變濃度體現(xiàn)，這在碳材料中一維、二維乃至三維高度有序碳材料的研究與開發(fā)中將具有廣闊的發(fā)展前景。

【參考文獻】

[1]Aqueous Liquid Crystals of Graphene Oxide[J]. ACS NANO，2011，5：2908-2915.

[2]Rheological Properties of Graphene Oxide Liquid Crystal[J].Carbon，2014，80：453-461.

[責任編輯：楊玉潔]