先进材料导论

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1、先进材料导论石墨烯导电高分子复合材料研究进展摘要：本文综述了有关填充型导电高分子复合材料的研究进展及其应用，重点介绍并比较了石墨烯/聚合物导电高分子复合材料的制备方法，讨论了石墨烯的功能化改性处理。关键词：石墨烯；导电高分子；制备方法；改性导电高分子复合材料自1977年被发现以来⑴，得到了科学家的广泛关注。导电高分子材料按自身结构和制备方法不同可分为结构型（本征型）和复合型两大类，其屮复合型导电高分子材料因其制备工艺简便，性能优越，具有较强的实用性而受到工业界更为广泛的关注。目前制备导电高分子复合材料的填料主要有碳系材

2、料和金属系材料两人类，碳系材料中的炭黑、石墨、碳纳米管多年来凭借其优异性能而得到广泛应用，近年來石墨烯凭借其优良的导电导热性能及优异的机械特性而得到更广泛的研究。本文对石墨烯导电高分子复合材料研究进展进行综述。1石墨烯简介自2004年石墨烯（Graphene,Gr）被英国曼彻斯特大学两位科学家AndrewGeim和KonstantinNovoselov[2]用一种简单的胶带剥离方法首次制得后，石墨烯便成为科学家研究的新宠。石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积排列具有二维蜂窝状结构的新材料[3],厚度只有原子直径大小（约为0

3、.35nm）,是目前世界上已知的最薄的二维材料［4］o在石墨烯中，相邻两个碳原子以共价键结合，每个碳原子发生sp2杂化，这使得每个碳原子剩余的P轨道上都有一个电子，这些电子Z间相互作用，在石墨烯垂直平瓯上形成一个无穷大的离域大n键，在这个大□键中电子可自由移动，这就使得石墨烯电导率能高达到106s/m［5］o石墨烯独特的结构特征，使其在能源电池［6-8］.电容导体［9-11］.传感原器件［12］、吸波材料［13］＞防腐材料［14］等领域有十分广泛的应用前景。以石墨烯为填料可人人改善聚合物的导电、导热及力学性能。目前，制

4、备石墨烯的方法主要有化学还原法及物理剥离法。物理剥离法是通过超声剥离等机械手段对石墨进行剥离以得到片层石墨烯。化学还原法中应用比较广泛的是利用Hummers法：先将石墨氧化成氧化石墨(GO),然后将GO通过还原剂(如水合耕、硼氢化钠等)还原成Gr。除了以上较基木的两种途径外，还有电泳沉淀法［15］、碳管转换法［16］等新颖的方法来制备高导电性能的石墨烯。2石墨烯/聚合物导电复合材料的制备方法制备石墨烯/聚合物导电复合材料最重要的是提高石墨烯在聚合物基体中的分散程度，这是因为石墨烯的比表面积很大，片层之间较强的范德华力使

5、得英极易团聚［17］o所以通常要采用机械搅拌、超声分离和加入表面活性剂对石墨烯表面进行修饰等方法來提高石墨烯在聚合物基体中的分散性。从石墨烯与聚合物基体的相互作用的本质上来看，上述方法可分为物理混合和化学复合两类。本文中主要介绍熔融共混法、溶液共混法、原位聚合法、原位还原法以及聚合物插层法。2.1熔融共混法熔融共混法通常是将GO经过剥离及还原制成Gr,然后将Gr加入到粘流状态的聚合物基体中，通过密炼、挤岀、注塑和吹塑成型制得复合材料。洪江彬等［18］以聚碳酸酯(PC)为基体材料，采用熔融共混法制备了Gr微片/PC、炭黑

6、/PC、Gr微片母料/PC导电复合材料，并研究不同导电填料对导电性能的影响。结果表明，通过控制加工工艺可以有效避免Gr微片结构在熔融加工过程中的破坏，使得Gr能均匀分散在基体中，同时复合材料电导率能达到1.2xl0?4s/cm,Gr微片母料导电复合材料渗滤阀值约为3%(体积分数)。Yan等［19］将体积分数为1.38%的石墨烯和聚苯胺12(PA12)熔融共混，成功制得高导电性的Gr/PA12二元纳米复合材料，纯PA12材料的电导率为2.8X10?14s/m,研究表明Gr/PA12复合材料的电导率迅速增加到6.7X10?

7、2s/m,同时其渗滤阀值仅为0.3%(体积分数)。熔融共混法要使各组分混合均匀，复合体系就必须进行混合，但如果混合温度过高就会破坏Gr填料在体系中的分布、结构及取向，从而影响复合材料的导电性能，所以必须严格控制混合工艺的条件。同时为了保持导电复合材料的结构完整，在挤出时受应力耍足够小，剪切速度耍尽可能低，因此使用熔融共混法时选择合适的混炼工艺是十分重要的。2.2溶液共混法溶液共混法通常是将Gr稳定的分散在有机溶剂中，然后将聚合物基体加入到Gr分散液中；也有将聚合物基体分散于有机溶剂中，再向分散液中加入Gr。再通过机械搅

8、拌、超声分散以及冷冻干燥等技术制得Gr/聚合物导电复合材料。一般来说，采用溶液共混法制得的导电复合材料的导电性要比釆用熔融共混法制得的材料高。相比较熔融共混法，溶液共混法通过机械搅拌或超声分散等一些物理手段能将石墨烯更均匀地分散于聚合物基体中。AhmedSWajid等［20］通过将聚乙烯基I】比咯烷酮（PVP）分别溶于乙醇、甲醇、