納米石墨烯復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

郝麗娜

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161005）

就目前的石墨烯復(fù)合材料制備而言，納米復(fù)合材料的制備是一種主要的發(fā)展趨勢(shì)。在當(dāng)今各個(gè)領(lǐng)域之中，納米石墨烯復(fù)合材料都發(fā)揮出了十分明顯的優(yōu)勢(shì)，且呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。因此，納米石墨烯復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用也受到了越來越多人的重視。

1 納米石墨烯復(fù)合材料的制備

1.1 熔融共混法制備納米石墨烯復(fù)合材料

通過熔融共混法進(jìn)行納米石墨烯復(fù)合材料的制備，其實(shí)就是借助于高溫作用以及高剪切作用，將石墨烯或者是氧化石墨烯在聚合物基體中分散。在應(yīng)用該方法進(jìn)行納米石墨烯復(fù)合材料的制備過程中，并不需要應(yīng)用到任何的溶劑，所以在極性聚合物以及非極性聚合物之中都十分適用。研究發(fā)現(xiàn)，在PET（石墨烯/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）基體之中會(huì)以單片層或者是少片層形式均勻分布，其中存在的卷曲、皺褶則可以在基體之中呈現(xiàn)出網(wǎng)格形式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)電性的顯著提升。如果石墨烯在PET 基體之中的含量達(dá)到了3vol%，其復(fù)合材料最大的導(dǎo)電率可以達(dá)到2.11S/m，這與當(dāng)今電磁屏蔽這一領(lǐng)域之中對(duì)于石墨烯復(fù)合材料的需求十分相符[1]。

通過這種制備方法，有專家學(xué)者對(duì)隔離型石墨烯-多壁納米管/超高分子量聚乙烯這種導(dǎo)電性極強(qiáng)的復(fù)合材料進(jìn)行制備，這種材質(zhì)的導(dǎo)電性能極高，可以達(dá)到1×10-2S/m，1.0wt%，且導(dǎo)電逾滲更低，僅達(dá)到0.039vot%。

1.2 溶液混合法制備納米石墨烯復(fù)合材料

通過溶液混合法進(jìn)行納米石墨烯復(fù)合材料的制備，其實(shí)就是讓聚合物分子在溶劑的作用之下插入GO 片層，再借助還原方式來進(jìn)行納米石墨烯復(fù)合材料的制備。在具體的制備過程中，一種常用的方法就是經(jīng)超聲技術(shù)將GO 分散在水里或者是有機(jī)溶劑之中，然后將聚合物加入其中，借助于絮凝法或者是揮發(fā)法將溶劑去除。因?yàn)镚O 的表面有含氧官能團(tuán)存在，所以GO 可以更好地分散在有機(jī)溶劑之中，和聚合物的界面產(chǎn)生更好的相互作用。

在相關(guān)的研究過程中，有專家通將N-二甲基酰胺作為溶劑，制備FGONs（功能性的氧化石墨烯納米片層）/CE（氰酸酯）復(fù)合材料，并將FGONs 插入CE 基體之中來實(shí)現(xiàn)界面之間的有效結(jié)合，這就使得該納米復(fù)合材料具備了十分優(yōu)異的耐摩擦能力和很強(qiáng)的力學(xué)性能。

同時(shí)，也有學(xué)者將FGONs 以及PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）加入到了THF（四氫呋喃）溶液之中，經(jīng)過超聲分散以及真空干燥之后，得到了FGONs/PMMA 納米復(fù)合材料。

另外，也有學(xué)者將THF 以及三氯甲烷作為溶劑，進(jìn)行了石墨烯/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料的制備。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，相比較THF 而言，三氯甲烷對(duì)于環(huán)氧樹脂之中的石墨烯分散有著更好的促進(jìn)作用，所以通過這種方式制備出的石墨烯納米復(fù)合材料滲漏閾值也就會(huì)更低。

在對(duì)該種制備方式的研究過程中，還有學(xué)者利用該方法進(jìn)行了FGONs/硅樹脂納米復(fù)合材料的制備，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在FGONs 的含量達(dá)到0.5wt%的情況下，這種納米復(fù)合材料的拉伸性能、導(dǎo)熱性能及其熱穩(wěn)定性能都實(shí)現(xiàn)了顯著提升。

1.3 原位聚合法制備納米石墨烯復(fù)合材料

通過原位聚合法制備納米石墨烯復(fù)合材料，其實(shí)就是將石墨烯或者是GO 和聚合物單位進(jìn)行混合，然后再借助于引發(fā)劑所特有的引發(fā)作用，讓石墨烯片層之中的單體發(fā)生聚合，進(jìn)而或得到石墨烯納米復(fù)合材料。這種方法和溶液混合法制備納米石墨烯復(fù)合材料的方法比較相似，在進(jìn)行原位聚合的過程中，還原氧化石墨烯或者是GO 都比較容易從單體之中剝離出來，進(jìn)而呈現(xiàn)出分子級(jí)別的分散現(xiàn)象。同時(shí)，因?yàn)榫酆戏磻?yīng)是一個(gè)放熱的過程，所以放熱所產(chǎn)生的膨脹作用將會(huì)讓GO 的片層間距發(fā)生擴(kuò)張，這對(duì)于其從片層之中剝離出來提供了更加有利的條件。因此，通過原位聚合法進(jìn)行納米石墨烯復(fù)合材料的制備，所得到的納米石墨烯復(fù)合材料將會(huì)有著更加均勻的分散性特征。

在對(duì)該方法進(jìn)行 研究的過程中，有學(xué)者對(duì)GO/PS（聚苯乙烯）納米復(fù)合材料進(jìn)行了制備，這種材料不僅有著極高的導(dǎo)電率，同時(shí)也有著極高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，且該材料的熱穩(wěn)定性也十分強(qiáng)大。在進(jìn)行原位聚合的過程中，也可以將GO片層之中的含氧基團(tuán)加以合理利用，通過反應(yīng)，讓GO 和一部分基體樹脂之間形成比較牢固的共價(jià)鍵，進(jìn)而制備出更高性能的納米石墨烯復(fù)合材料。

同時(shí)，也有學(xué)者利用該方法進(jìn)行了rGO/PPy（聚吡咯）納米復(fù)合材料的制備，rGO 和PPy 之間形成了十分緊密的接觸，這樣就使得這種納米復(fù)合材料具備了多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使其獲得了高達(dá)108m2/g 的表面積，其電容特性和十分優(yōu)良[2]。因此，這種材料在超級(jí)電容器的生產(chǎn)中得到了十分廣泛的應(yīng)用。

另外，還有相關(guān)學(xué)者通過PP（聚丙烯）乳液的原位化學(xué)還原氧化石墨烯法來進(jìn)行rGO/PP 納米復(fù)合材料的制備，得到的材料有著極低的滲透閾值，其滲透閾值僅為0.033vol%。

除了這些納米石墨烯復(fù)合材料的制備之外，該方法也可以用來進(jìn)行CBT（環(huán)丁烯對(duì)苯二酸脂）的制備。通過這種方法的應(yīng)用，可以讓石墨烯在聚合物基體之中實(shí)現(xiàn)均勻的分散，但是在將GO 或者是石墨烯加入到聚合物中，其黏度也會(huì)明顯增大，這樣就會(huì)進(jìn)一步加大聚合反應(yīng)的復(fù)雜程度。

2 納米石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 在電極材料之中的應(yīng)用

納米石墨烯復(fù)合材料可以用作電極材料，憑借著對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高度連通能力，這種材料可以讓離子的運(yùn)輸速度得以顯著提升，進(jìn)而呈現(xiàn)出高功率、高容量的特性。經(jīng)過相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，如果借助于水熱法把磷酸鐵鋰納米顆粒負(fù)載在納米石墨烯氣凝膠之上，石墨烯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就會(huì)為其提供出足夠豐富的孔道，并顯著提升其電極和電解液之間的接觸面積，讓鋰離子的擴(kuò)散路徑得以顯著縮減，為電解液的滲透提供出更大的便利[3]。

2.2 在環(huán)境吸附材料中的應(yīng)用

因?yàn)榧{米石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)孔道十分豐富，且因?yàn)椴煌苽浞椒ù嬖诓町愋?，所以其表面的缺陷也較多，這樣就可以使其更容易將有著不同功能的不同基團(tuán)引入其中。因此，此類材料在當(dāng)今的金屬離子吸附、油水分離以及染料分子的去除等諸多領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用范圍。根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，將表面活性劑以及冷凍干燥技術(shù)與納米石墨烯復(fù)合材料結(jié)合應(yīng)用，用肥皂泡作為模板，可以將水體之中的油品有效地吸附出來，且能夠發(fā)揮出十分強(qiáng)大的吸附能力。也有研究發(fā)現(xiàn)，借助于二氧化碳的物理活性來進(jìn)行氧化石墨烯復(fù)合材料的制備，可以得到一種孔體積極大的多孔石墨烯復(fù)合材料，其孔體積可以達(dá)到2.71cm3/g，這種材料對(duì)于水體之中的膽紅素有著極強(qiáng)的吸附能力，其吸附能力可以達(dá)到126mg/g。

3 結(jié)語

綜上，主要對(duì)納米石墨烯復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用進(jìn)行分析。通過分析可知，熔融共混法、溶液混合法以及原位聚合法都可以實(shí)現(xiàn)納米石墨烯復(fù)合材料的有效制備，且獲得的納米石墨烯聚合材料在電極材料、環(huán)境吸附材料等諸多領(lǐng)域之中都有著十分廣闊的應(yīng)用范圍和十分光明的應(yīng)用前景。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展可謂相輔相成，因此，相信隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米石墨烯復(fù)合材料的研究將會(huì)獲得更大的突破，進(jìn)而使這種新型的納米復(fù)合型材料在未來的各個(gè)領(lǐng)域之中發(fā)揮出更大的應(yīng)用價(jià)值。