關于石墨烯分散方面簡要梳理

基于石墨烯眾所周知的優(yōu)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。但是，由于其較大的比表面積，再加上片層與片層之間容易產生相互作用，極易出現團聚現象，而且團聚體難以再分開，不僅降低了自身的吸附能力而且阻礙石墨烯自身優(yōu)異性能的發(fā)揮，從而影響了石墨烯增強復合材料性能的改進。為了得到性能優(yōu)異的石墨烯增強復合材料，科研工作者在克服石墨烯團聚、使其分散方面做了諸多研究。以下是對前人綜述的簡要梳理。

1、機械分散法

利用剪切或撞擊等方式改善石墨烯的分散效果。吳樂華等以純凈石墨粉為原料，無水乙醇為溶劑，采用濕法球磨配合超聲、離心等方式得到石墨烯分散液，通過掃描電鏡、透射電鏡和拉曼光譜分析均證明石墨烯為幾個片層分散。

2、超聲分散法

利用超聲的空化作用，以高能高振蕩降低石墨烯的表面能，從而達到改善分散效果的目的。Umar等將石墨在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中采用低功率超聲處理，隨著超聲時間的延長，石墨烯分散液的濃度隨之升高，當超聲時間超過462 h后，石墨烯分散液濃度能夠達到1.2mg/mL，這是由于超聲所產生的溶劑與石墨烯之間的能量大于剝離石墨烯片層所需要的能量，進而實現了石墨烯的分散。

周明杰通過對石墨烯懸浮液進行超聲處理來提高石墨烯的分散性能。由于在臨界流體的作用下，使得碳納米管與石墨烯混合得更加均勻。因為超聲波瞬間釋放的壓力破壞了石墨烯層與層之間的范德華力，使得石墨烯更加不容易團聚在一起，從而使碳納米管和石墨烯均勻分散地混合在一起。

3、微波輻射法

采用微波加熱的方式產生高能高熱用以克服石墨烯片層間的范德華力。Janowska等采用氨水作為溶劑，利用微波輻射處理在氨水中的膨脹石墨以制備石墨烯分散液，透射電鏡觀測結果表明制得的石墨烯主要為單、雙和少層(少于十層)石墨烯，并且能夠在氨水中穩(wěn)定分散，研究證實微波輻射產生的高溫能夠使氨水部分氣化，產生的氣壓對克服石墨烯片層間的范德華力具有顯著的作用。

4、表面改性

張海蛟通過離子液體對膨脹石墨進行表面改性來提高石墨烯的分散性。這種改性屬于物理方法，它能降低改性過程對石墨烯結構和官能團的影響。經過改性的石墨烯片層粒徑小，呈現出褶皺的狀態(tài)；通過離子液體改性后的石墨烯可以長時間在丙酮溶液中保持均勻的分散狀態(tài)，并且能夠均勻分布在硅橡膠基體中，離子液體鏈長增加使得樣品更加均勻地分散。

Jing采用具有強還原能力的沒食子酸作為穩(wěn)定劑和還原劑，制得了具有高分散性的石墨烯。由于分子中苯環(huán)結構和石墨烯之間形成了π—π共軛相互作用，從而作為穩(wěn)定劑吸附在石墨烯表面，這使得石墨烯片層具有較強的負電性，阻止了石墨烯片進一步堆積在一起，使其更加難于團聚，保證了所制備的石墨烯具有較高的分散性能。

Li發(fā)現經過修飾后的石墨烯能夠在基體中均勻分布，把石墨烯經過有機小分子異氰酸酯進行修飾后，發(fā)現石墨烯能夠穩(wěn)定分散在Ｎ，Ｎ—二甲基甲酞胺溶劑中，這就有利于改善與聚偏氟乙烯復合過程中石墨烯的均勻分散性，避免了石墨烯在基體中的團聚。

方瑩通過共磺化沉淀工藝在石墨烯片層的表面引入磺酸基團來提高石墨烯的分散性。這種方法的一個優(yōu)點是不涉及高溫操作，所以石墨烯片層上的親水基團可以保存得比較完整。

時鏡鏡發(fā)現經過有機硅烷修飾的石墨烯與聚合物混合時不易團聚，從而使得有機硅烷改性的石墨烯能夠在聚合物基體中均勻分散。這是由于有機硅烷發(fā)生水解反應后可與石墨烯上的羥基發(fā)生脫水縮合反應，加大了石墨烯的層間距，從而阻止了石墨烯的團聚現象。

章勇通過對石墨烯進行改性來阻止石墨烯的團聚現象。他利用表面原有的含氧官能團的氧化石墨烯將十六胺接枝到其表面，使得石墨烯表面含有親水的基團，從而增加它的分散性。改性后的石墨烯能夠均勻分散在常見的極性溶劑中，并且經過２個月以上的放置不會產生明顯的沉淀。

5、添加分散劑

一般來說石墨烯本身既不親水又不親油，常用的分散劑分子很難與石墨烯形成較強的物理吸附作用，對石墨烯的分散效果不好，必須采用特殊結構的分散劑才能分散和穩(wěn)定石墨烯。分散劑從分子結構上要求一端能與石墨烯片形成較強的作用，另一端要與樹脂體系相容性好。只有分散劑與石墨烯片層結構形成較強的相互作用，克服了石墨烯片之間的π-π相互作用，才能將其相對穩(wěn)定地分散到涂料樹脂當中。相較于化學改性分散法，分散劑分散法主要基于范德華力和π-π相互作用等，可以避免破壞石墨烯片層表面的共軛結構，較好地保持石墨烯的特性，而且效率高，使用方便。

Wu以聚乙烯醇為分散劑使石墨烯在溶液中更加地分散。他們發(fā)現，在所制得的復合薄膜中PVA長鏈包裹著石墨烯片層，兩相結合得非常緊密，使得石墨烯均勻分散在溶液中。

6、原位聚合法

先將納米粒子在單體中均勻分散，然后再用引發(fā)劑引發(fā)聚合，使納米粒子或分子均勻地分散在聚合物基體上并且形成原位分子聚合材料。原位多相聚合既保持了粒子的納米特性，又實現了填充粒子的均勻分散，可以形成帶有彈性包覆層的核－殼結構的納米形粒子。因為外層是有機聚合物，所以它可以提高材料與有機相的親和力。

7、電荷吸引

齊天嬌等采用一種電荷吸引的方法來解決石墨烯的分散性。他用Hummers法制備出了含有大量的含氧基團的氧化石墨烯，使得氧化石墨烯帶有很強的負電荷。然后使鋁粉表面帶有正電荷，最后利用正負電荷吸引的方式來解決石墨烯的分散性問題。

小結：

石墨烯的分散問題一直是石墨烯領域的難點問題，也是石墨烯走向廣泛應用必須要克服的問題。目前，石墨烯的優(yōu)異性能在復合材料中并沒有完全發(fā)揮，如何在保護石墨烯自身結構不受破壞的同時保證石墨烯穩(wěn)定分散，最大程度發(fā)揮出石墨烯的優(yōu)良性能有待于進一步研究和探索。

編輯：黃飛