石墨烯高效分散解决方案——新型石墨烯分散剂.docx

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1、由于石墨烯是由 sp2 杂化的碳原子构成的平面共轭构造，其片层间存在格外强的-作用以及范德华作用力，导致其分散性极差，严峻制约了石墨烯的实际应用。虽然传统的商品 外表活性剂如 SDBS、CTAB、Triton-X、Tween 80、高分子稳定剂如 PVP、PSS、PDDA等都可以对石墨烯起到肯定的分散稳定作用，但往往存在分散剂用量大、石墨烯浓 度低等问题。过多的分散剂用量以及过低的石墨烯浓度均是构建复合材料的不利因素。因此， 开发型、高效、低本钱的分散剂是实现石墨烯规模化应用亟待解决的重要问题。基于此， 复旦大学材料科学系、教育部先进涂料工程争论中心周树学教授团队开展了系列争论工作， 开发了两

2、种型石墨烯分散剂，均在石墨烯复合材料制备中表现出了优异的性能，现将其研 究成果做简要介绍。多氨基阳离子型苝酰亚胺类石墨烯分散剂以一种常用的染料中间体苝-3,4,9,10-四羧酸二酐PTCDA为原料，经与系列多乙烯多胺在甲苯中回流反响、甲酸酸化处理得到此类石墨烯分散剂。该分散剂具有在较低用量下 实现石墨烯高浓度分散的特点。争论觉察，PTCDA 与三乙烯四胺的反响产物 HAPBI-3图1对石墨烯具有最正确的分散性能。HAPBI-3 用量仅为石墨烯粉末XF 001W质量的 1/3， 就能得到浓度到达 2 mg/mL 的分散液。分散液 zata 电位值为+28.5 mV，能够长时间稳定存在。该分散剂对

3、石墨烯的导电性影响很小，与市售商品分散剂相比具有明显的优势详见CuiJ,ZhouS.,JournalofNanoparticleResearch, 2023,19(11):357.DOI: 10.1007/s11051-017-4047-8。图 1，分散剂 HAPBI-3 分子式及 2mg/mL 石墨烯分散液利用 HAPBI-3 的阳离子特性，将制备的石墨烯与碳纳米管分散液分别与带负电荷的磺化聚苯乙烯SPS微球混合，得到了均匀包覆的 SPSGraphene 与 SPSMWCNT 核壳型构造微球图 2a。SPSGraphene 复合材料经热压处理，形成具有三维网格构造的复合材料图2b。由于HAP

4、BI-3 具有用量少、对石墨烯导电性影响小等特点，制备的SPSGraphene 复合材料还具有超低的渗流阈值0.047 vol%和格外好的导电性图2c，石墨烯的体积含量为 4.51 vol%时，材料的电导率到达 104 S/m。当 MWCNTs 的体积含量为 3.20 vol%时，由于其导电性更好，SPSMWCNT 复合材料的电导率可高达391 S/m，将其串联在 9V 的电路中，还可将小灯泡3.8V，0.3A点亮图2d详见Cui J, Zhou S., Journal of Materials Chemistry C, 2023, 6(3): 550-557. DOI:10.1039/c7t

5、c04752e。具有自交联反响功能的石墨烯分散剂以对苯二胺和带有环氧基团的硅烷偶联剂KH-560为原料，在甲醇中回流，进一步 在酸性条件下水解得到 TSiPD图 3分散剂。这种分散剂的最大特点是具有高反响活性， 在复合材料中可以作为有效成分存在。当 TSiPD 与石墨烯XF 001W的质量比为 1.2:1 时，分散液的浓度高达 10 mg/mL。将石墨烯分散液涂覆到基材外表，由于TSiPD 分子含有高反响活性的硅羟基-Si-OH，分子间能够脱水缩合形成 Si-O-Si 键，从而可以自发交联形成高强度复合涂层。经不同溶剂浸泡、铅笔硬度测试图 4a证明石墨烯复合涂层具有良好的机械强度。此外由于没有

6、额外的成膜物质参加，复合涂层中由于含有高浓度的石 墨烯还具有很好的导电性图 4b详见 Cui J, Zhou S., Chemistry of Materials, 2023, 30(15): 4935-4942. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00884。将纯棉织物在上述含有 TSiPD 的石墨烯及碳纳米管分散液中分别连续浸涂，枯燥后可以得到高耐久性的纳米碳/棉导电复合织物图 5。经过 20 次的浸涂处理，石墨烯和MWCNTs 复合织物的外表电阻分别降低到 38.4 /sq 和 71.6 /sq，具有格外好的导电性，同时还能表现出良好的拉伸响应性及电加热性能详见Cui J, Zhou S., Journal of Materials Chemistry C, 2023, 6(45): 12273-12282. DOI: 10.1039/c8tc04017f。由于高反响活性 Si-OH 的存在，石墨烯和 MWCNTs 在纤维外表结合的格外结实，屡次水洗后， 复合织物外表形貌及电阻都没有发生明显变化。在水以及乙醇、二氯甲烷、 THF 和 DMF 等有机溶剂中超声处理也不会脱落，表达出良好的耐水洗及耐溶剂性图6。目前，该团队关于型高效石墨烯分散剂的开发以及纳米碳复合材料的争论工作仍在不断进展，试验中用到的石墨烯产品由先丰纳米供给，如有最成果会进一步报道。