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2018年是改革開放40周年。40年來,中國取得了舉世矚目的成就,各行各業蓬勃發展,形成了一批批具有國際競爭力的產業集群,推動著中國這艘巨輪不斷前行。
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。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。
在過去的十多年里,在水溶液中大批量制備無表面活性劑的單層石墨烯一直是材料科學家夢寐以求的愿望。然而由于石墨烯表面的疏水性,很難均勻分地散到水中,容易團聚,因此也限制了石墨烯的應用發展。
分散技術乃是決定納米科技成功之關鍵。在1998年以前,企業界所面臨的問題為如何提高分散研磨效率以降低勞力成本,如染料、涂料、油墨等產業;而1998年以后,產業之技術瓶頸則為如何得到微細化(納米化)之材料及如何將納米化之材料分散到最終產品里。在傳統產業納米化的過程中,最常遇到的共同問題為所添加的納米粉體因未經改質而易再次凝聚,不易被分散開來,導致預期的納米現象并沒有產生。
石墨烯層包含了面內σ鍵和面外π鍵。σ鍵使石墨烯具有電子傳導性并使石墨烯層之間產生了較弱的相互作用。共價σ鍵形成了六邊形結構和c軸面的剛性主鏈,即π鍵控制著不同的石墨烯層之間的關聯。它展示了一個面上的3個σ鍵/原子以及垂直于σ鍵/原子面的π軌道。
石墨烯為碳的一種的同素異構體,碳的同素異構體不同,其性能大不相同。無序結構的炭黑就是我們常用的鉛筆芯材料,三維結構的金剛石就是我們佩戴的高貴鉆戒首飾,而我們今天要講的二維結構石墨烯更是神奇無限!
“石墨烯應用目前遭遇瓶頸,我們的任務就是打破瓶頸。”在7月12日于江蘇徐州舉行的橡膠高峰論壇上,青島科技大學教授辛振祥介紹,為突破石墨烯的應用瓶頸,他們以植物系材料作為分散助劑實現了石墨烯綠色宏量制備。同時,植物系材料的加入還一次性解決了石墨烯相容和分散性差兩大難題,有助于打破石墨烯的應用瓶頸。
隨著石墨烯制備技術的不斷發展,團聚問題已成為石墨烯制備過程中的瓶頸,因此提高石墨烯分散性已經成為提高產品(材料)質量、性能和工藝效率不可或缺的技術方法。
通常石墨烯與水不能很好的混合,當石墨烯在水中時,會出現“懸鍵”(水分子的氫原子會指向石墨烯表面),并且石墨烯附近的水分子不能形成3個以上的氫鍵,而純水中平均每個水分子有3.6個氫鍵。因此石墨烯及非極性碳氫化物會破壞水中的氫鍵從而引起疏水相互作用,從而導致石墨烯在水中難以溶解。另外石墨烯促進溶解在水中的納米氣泡在石墨烯表面形核,這也會加劇石墨烯的團聚和沉淀。
石墨烯應用于聚合物基復合材料時,一般采用溶液共混的方法復合,因此需要首先制備出穩定均一的石墨烯分散液,其次與聚合物復合制備出性能優良的復合材料。
石墨烯是一種二維蜂窩狀碳材料,由碳原子按照六邊形進行排布而組成。碳碳原子之間由sp2雜化結合而成,其結構非常穩定。石墨烯特殊的結構致使其具有很多優異的性質。石墨烯是目前發現的硬度最大的物質,且有極好的力學性能(1060GPa),其理論比表面積高達2600m2/g,具有突出的導熱性能,可高達3000W/(m·K)。此外,石墨烯還具有良好的導電性。在室溫下,其電子遷移率可高達20000cm2/(V·s)。由于石墨烯的優良性能,科研工作者考慮將其作為增強體加入到基體材料中以提高基體材料的性能。
石墨烯二維材料的厚度只有幾個納米,具有納米材料顆粒之間高強的吸附性能,故很難被完全分散開,且由于純碳材料所固有的疏水性,使得石墨烯不能夠充分分散在其他材料中,這極大地限制了材料性能的發揮,因此如何將其分散成為石墨烯應用的一個瓶頸。
目前石墨烯的各類合成技術都已經成熟,關鍵是石墨烯材料難以在其他基體中分散,是制約其大規模應用的難點。沒有大規模應用,石墨烯就沒有發展的動力。石墨烯為什么難以分散?如何使石墨烯與其他材料相容?
石墨烯作為科技行業最時髦的一種分子,已經逐漸走出實驗室,正向著我們生活的方方面面滲入——智能手機、衣服、電池、虛擬現實、運動器材、超級電容器和超級跑車等。
這個時候,既不需要因為石墨烯技術昂貴、而一棒子打死;也不需要,因為這款技術有很好的替代性,而進行偷換概念的制造,這都是與新技術發展那格格不入的。
北京理工大學的曲良體教授和他的團隊開發出了由氧化石墨烯制備的三維結構,這個結構具有足夠大的孔洞,可允許水分子自由通過。當水從這種材料的頂部流淌到底部的時候,水分子將和氧化石墨烯中的含氧基團發生反應,分離形成氫離子;剩下的氧基團則非均一的分布在材料中,這將產生足夠多的離子,從而生成電能。