石墨烯的性能及其在高分子材料中的应用.pdf

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1、2016年第5期(总第119期)塑料助剂17石墨烯的性能及其在高分子材料中的应用曾秀妮王晓燕(国家知识产权局专利局，北京，100088)摘要从石墨烯的基础理论开始，介绍了石墨烯的化学结构式和制备方法，着重阐述了石墨烯的特性及在高分子材料中的应用。关键词石墨烯高分子材料doi：10．3969／j．issn．1672—6294．2016．05．004ThePerformancesandApplicationinPolymerMaterialofGrapheneZengXiuniWangXiaoyan(PatentOficeofStateI

2、ntellecturePropertyOficeofChina，Beijing，100088)Abstract：Thechemicalstmctureandpreparedmethodsofgraphenewereintroducedbeginningfromthebasictheoryaboutgraphene．Anditsperformancesandapplicationinpolymermaterialswereintroducedemphasisly．Keywords：graphene；polymermaterials碳元素

3、是地球上存在最为广泛的一种重要元1O年中为研发资助10亿欧元。我国石墨烯研发素，是构成自然界物质的基础元素之一。20世纪起步较晚，于2013年投人2．1亿元推动石墨烯产前，最常见的碳质材料主要有：石墨、钻石及无定业化，2014年将石墨烯列入“863”计划纳米材料形碳(炭黑等)。而进人20世纪以来，几种新型专项，并在“十三五”科技发展规划中单独占有重的碳质材料被科学家陆续发现。1985年，美国科要位置。正如有学者所言，19世纪是铁器的时学家RobertCurl，RichardE．Smalley和英国科学代，20世纪是硅的时代，21世纪则

4、将是碳的时代1家HarryKroto共同发现了由60个碳原子构成的1石墨烯的结构“足球分子”C∞l1J。随后，C。、C跖等大分子相继出现，为碳家族添加了一大类新成员：富勒烯。石墨烯具有由单层碳原子构成的平面结构，2004年，英国科学家AndrewGeim和Konstantin可以被认为是构建其他维度碳质材料的基本结构Novoselov发现了一种碳原子以sp杂化连接的单单元(图1)：它可以引入五元环缺陷翘曲成零维原子层的新型二维原子晶体，即石墨烯(Gra．的富勒烯，可以卷成一维的单臂碳纳米管，也可以phene)，为碳质材料家族又增添了一

5、名新成员J。堆垛成三维的石墨。自石墨烯被发现后，各个国家逐渐意识到其但是，石墨烯并不是完全平整的平面结构，而对科技民生的重要性，不断加大对石墨烯研究的是波纹状的，在微观状态下表现出固有的粗糙性，投入，将石墨烯发展提升至战略高度。2006年一这种第三维度上的起伏也正是石墨烯可以在外界2011年，美国对200多项石墨烯相关项目进行了环境中独立存在的原因(图2)J。他们认为石墨资助。2007年，Et本开始对石墨烯硅材料、器件烯的这种波纹结构是由碳原子化学键合的多重性的技术研究进行资助。2008～2010年，欧盟发布引起的。虽然处于基态时，石

6、墨烯所有化学键合了石墨烯基纳米电子器件项目，并于2013年宣布(共轭键)是等价的，但即使在室温条件下，C=C将石墨烯列入“未来新兴旗舰技术项目”，在今后双键(短键)和c—c单键(长键)仍然有很大的概率呈不对称分布，这种不对称性导致了石墨烯没收稿日期：2016—05—16有处于一个平整的平面上。!){l{料助利2016年第5j9J(总119期)2．1直接剥离法石墨由尤数的石墨烯通过较刺的范德华堆积而成，通过一定的外力就丌丁以f[接剥离墨制备石墨烯。2004年，Novelselov等堪于此原理，利刚经典的“撕胶带法”成功剥离得刮r层石墨烯

7、，并对其形貌和电子性能进行r研究．此外，也有学者利用超声波产生的化作川剥离制备石墨烯。将攫存合适的有机溶刹rf进行超声处理可得到墨烯的分散液。小的溶剂中，石墨烯的剥离效果和分散效果是不川的，为石@墨剥离时所要的剥离能与有机溶剂的面f』长力1J烯碳纳水竹石和石墨烯的衷面能的配程度有炎、结果表明，。l矧lf墨烯——构成j他维碳质材料的当溶剂表面张力40～50mJ／m：，嚣配得较基本结构单兀好，剥离能较小，剥离和分散效果if壶好、Liang¨g．1Graphene—t)asicsinIC

8、llretmitforf1)rming等人用添加有乙

9、基纤维素的乙醇为溶剂，也成功ot嚣he霪l·d一im篱ensio～n一ta一r}1t一)iq一inaterialS制备了石墨烯，并通过反复的溶剂置换，将石墨烯浓度提高到rIIll·g／tnl，远远高丁类方法制备的石墨烯分