石墨烯复合材料3

石墨烯及其聚合物复合材料新型增强体——石墨烯什么是石墨烯？2004年英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫用微机械剥离法制备并观测到单层石墨烯(Graphene),石墨烯以其独特的结构和优异的性质迅速获得科学界的青睐，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。石墨烯的发现•完美的石墨烯是二维的，由六角元胞构成。•厚度：0.335nm石墨烯的结构优良的增强体1234石墨烯的优点极强的力学性能：拉伸模量1.01TPa，极限强度116GPa优良的导电性，室温下载流子迁移率是硅的100倍导热率为3000-5000W/mK，与碳纳米管相当极薄极轻，厚度为0.34nm，比表面积为2630m2/g石墨烯制备方法：•机械剥离法•通过机械力从石墨晶体表面剥离石墨烯片层•加热SiC法•加热单晶SiC脱除Si，在单晶（0001）面上分解出石墨烯片层•热膨胀法•微波加热厚度30um的石墨鳞片得到纳米石墨片•化学法•合成六苯并蔻(HBC),然后在FeCl3或Cu(OTf)2-AlCl3作用下环化脱氢得到较大平面的石墨烯前言石墨烯应用_超清.mp4应用SolarcellConductivewiresTouchpanelLEDlightingThinfilmdisplayThinfilmbattery……Redefiningeverything氧化石墨烯复合材料•常用聚合物基体：聚苯乙烯，聚苯胺等。•思路：利用强质子酸处理原始石墨，然后加入强氧化剂氧化（结构为准二维层状结构，层间包含羟基和羧基等活性基团）•直接插层法•利用溶剂的作用或通过机械剪切等物理作用将聚合物分子插入具有片层结构的GO，形成纳米聚合材料。•聚合插层法•预混合后加入引发剂引发聚合，热处理得到复合材料。非共价修饰法非共价修饰主要是通过范德华力、氢键、配位键、静电作用以及π-π堆积作用等手段对石墨烯表面进行改性，简单易行，在生物系统采用多种非共价手段联合使用可以保持改性体系的稳定性但是这种非共价修饰往往连接力较弱。非共价修饰法主客体交互作用范德华力氢键作用配位键作用静电作用力π-π堆积作用静电作用力静电作用力是制备石墨烯-复合物的一种便捷手段复合物的一种便捷手段。反应式：石墨烯的羧基＋含胺的苯乙烯→石墨烯-聚苯乙烯复合物静电作用→缩氨酸-石墨烯的核-壳结构↓↓核壳高温处理，剩余石墨烯的壳结构，具有非常好导电性。共价修饰法优点：共价键强而稳定缺点：破坏石墨烯的共轭结构，导致其导电性的降低从氧化石墨烯还原而来的石墨烯由于其还原过程的不完全性使得残留的一些含氧基团可以用来进一步的改性。传统自由基聚合原子转移自由基聚合（ATRP）单电子转移自由基聚合（SET-LRP）可逆加成-断裂链转移基聚合（RAFTRAFTRAFT）开环聚合（ROP）氧化还原聚合共价修饰法以Ce(IV)和氧化石墨烯的羟基作为氧化还原剂组合在石墨烯表面接枝聚苯乙烯（PS）、聚丙烯腈（PAN）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等聚合物刷。温度和氧化还原引发剂浓度对接枝效率的影响：氧化石墨烯表面接枝少量的聚合物时复合物→插层结构接枝较多聚合物→剥落结构复合物层间距随着接枝率的增加而增加优点：聚合温度低和聚合速率快氧化还原聚合石墨烯及其聚合物复合材料的优良性能1导电性能：石墨烯是目前已知的导电性能最出色的材料,是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍,超过商用硅片迁移率的10倍以上。聚烯烃、乙烯基和丙烯酸基类聚合物、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、天然和合成橡胶。用于电磁屏蔽、抗静电涂层、导电涂料等各个领域,其中超级电容器是目前研究者关注较多的领域。2导热性能：石墨烯的导热性能优于碳纳米管。用于小型化电子元器件、导热涂料、热驱动的形状记忆聚合物的热管理。目前,采用石墨烯片GNP提高其复合材料的热传导性的聚合物包括:环氧树脂以及石蜡3力学性能：石墨烯被认为是目前世界上强度最高的物质,添加石墨烯可以增强聚合物的力学性能（一方面是由石墨烯片层的长度决定而不是完全伸展的比表面积,另一方面熔融过程中颗粒可能会团聚）4热性能：石墨烯的加入还会影响聚合物的玻璃转变温度Tg和结晶动力学（因为添加石墨烯以后,聚合物链的运动受到限制。）5、透气性：无缺陷的石墨烯对所有气体分子都具有不透过性。（石墨烯添加到聚合物中可能形成大面积的隔膜,气体阻隔性比单壁碳纳米、多壁碳纳米管或者碳纤维更好。未来及展望石墨烯的研究持续升温,使石墨烯/聚合物复合材料也得到了广泛关注。它的应用领域涵盖了导电塑料、电极材料、航空材料、催化剂载体等诸多方面，在抗静电薄膜、超级电容器以及航空材料领域的发展也将会有更快的突破。存在的问题：1、石墨烯的添加在提高聚合物刚性的同时却导致聚合物断裂伸长率的降低2、石墨烯的制备3、成本问题Thanks!