为何石墨软石墨烯“硬”
2019-01-04 15:47:49
导读
为什么石墨那么软，而石墨烯又表现得那么“硬”呢?浙江大学信息电子工程学院副教授林时胜介绍说，其实这里涉及两个不同的概念，一个是强度，这是力学概念，一个是硬度，属于物理概念。
石墨烯的“硬”，是指强度高，衡量强度的指标是杨氏模量，根据杨氏模量的高低可以把物质分为硬物质和软物质。石墨烯的模量非常高，可达1T帕(压强单位)，是材料里最高的，所以石墨烯是硬物质，可以说是很硬。相应的像橡胶这些，模量只有几千帕，就是软物质，很软。材料力学上有刚度、强度、韧度、硬度等不同物理概念，这与我们通常讲的硬与软有区别。从通俗意义上说，石墨烯的“硬”指的是石墨烯的强度很好，就是它抗断裂的能力很强，这也和它的韧性很好有关系，因为容易延展而不断裂。模量就是代表了材料能被拉伸的容易程度。
再说石墨的软，这是物理概念，指的是硬度。硬度的衡量，是用一种材料去破坏另一种材料，被破坏的硬度就小。石墨的片层之间是范德华力，非常弱，只要用固体去划它，都能把它的片层错开，所以石墨很容易被破坏，就是说石墨很软。
为何石墨软，石墨烯“硬”？
2019-01-03 09:37:04
为什么石墨那么软，而石墨烯又表现得那么“硬”呢?浙江大学信息电子工程学院副教授林时胜介绍说，其实这里涉及两个不同的概念，一个是强度，这是力学概念，一个是硬度，属于物理概念。
石墨烯的“硬”，是指强度高，衡量强度的指标是杨氏模量，根据杨氏模量的高低可以把物质分为硬物质和软物质。石墨烯的模量非常高，可达1T帕(压强单位)，是材料里最高的，所以石墨烯是硬物质，可以说是很硬。相应的像橡胶这些，模量只有几千帕，就是软物质，很软。
材料力学上有刚度、强度、韧度、硬度等不同物理概念，这与我们通常讲的硬与软有区别。从通俗意义上说，石墨烯的“硬”指的是石墨烯的强度很好，就是它抗断裂的能力很强，这也和它的韧性很好有关系，因为容易延展而不断裂。模量就是代表了材料能被拉伸的容易程度。
再说石墨的软，这是物理概念，指的是硬度。硬度的衡量，是用一种材料去破坏另一种材料，被破坏的硬度就小。石墨的片层之间是范德华力，非常弱，只要用固体去划它，都能把它的片层错开，所以石墨很容易被破坏，就是说石墨很软。
石墨烯在导电和抗静电涂料中的应用
2019-03-08 09:05:26
石墨烯具有共同的功用和潜在的运用远景，现在已成为全世界的重视焦点与研讨热门。石墨烯经功用化改性后既保留了原有性质，还附带了改性基团的反响活性，能有用进步石墨烯在涂料系统中的涣散性、相容性，乃至可赋予涂料系统某种特殊功用，因而石墨烯的功用化改性是其在涂料范畴运用中必不可少的重要一环。
一、在导电涂猜中的运用
石墨烯用于涂猜中可制备纯石墨烯涂料和石墨烯复合涂料，前者首要是指纯石墨烯在金属表面发挥防腐蚀、导电等作用的功用涂料;后者首要是指石墨烯首要与聚合物树脂复合，然后以复合材料制备功用涂料，石墨烯可明显提高聚合物的功用，因而石墨烯复合涂料成为石墨烯的重要运用研讨范畴。
石墨烯的共结构使之具有很高的电子迁移率和优异的电学功用，这是人们最期望能够运用的功用。传统的导电涂料经过参加导电性物质作为增加剂来到达涂膜导电的意图，导电性增加剂一般为金属或金属氧化物颗粒(如银粉、铜粉、氧化锌等)，以运用较为广泛的银粉为例，其用量、粒径和形状都对涂料的导电功用有很大影响。比较银粉，石墨烯除了有很好的导电功用外，还具有优异的机械功用及热功用，是极佳的导电涂料增加剂。
导电性石墨烯涂料制备流程
将制得的GO与复原剂制成混合涣散液，将该涣散液喷涂在已预热的基底上。该办法的长处在于制备涂膜的一起复原了氧化石墨烯，经过简略过程制得细密的导电性石墨烯涂膜，其表面电阻为2.2×103Ω/sq，在波长550nm下透光率高达84%。石墨烯导电涂料也可经过旋涂工艺施工，涂膜表面电阻可低至102～103Ω/sq，在550nm波长下透光率到达80%。
二、抗静电涂料的运用
抗静电涂料广泛用于电子、电器、航空及化工等多种范畴，跟着现代科技的开展，对其抗静电功用的要求越来越高。石墨烯所具有的高导电性、强力学功用等特色，有利于制备高功用、高强度的抗静电涂料。
01、轿车静电喷涂淡色底漆
轿车是重要的工业产品。轿车组成构件中有很大一部分，比方说轿车车身、保险杠、表里饰件等，都是塑料制品，无法构成电场。为了完成静电喷涂工艺，就要先在加工件表面先涂上一层导电底漆，然后在进行静电喷涂。当时轿车喷涂导电底漆首要经过增加导电炭黑使涂料具有导电性。由此导致导电底漆色彩较深，为了漂亮，往往要再喷涂一层底漆进行隐瞒，然后再进行正式的静电喷涂。这种办法工艺杂乱，也进步了本钱，故此推行难度较大。
石墨烯导电性好、色彩浅，理论上单层的石墨烯是通明的，这样就能够逃避由于导电剂带来的底漆色彩变深问题，关于轿车静电喷涂的改善非常有利。数据显现，参加2%到4%的石墨烯后，底漆涂层值为40到50，完全能够满意轿车静电喷涂的色度要求。
02、导静电涂料
石墨烯在导电涂猜中的另一个重要运用范畴是导静电涂料。该种涂料表面电阻一般坐落106 到109之间，能够有用防止静电导走现象发作，故而一般运用于对防火、防爆等要求很高的场合。比方石油、化工、铁路、交通等职业贮油罐、输油管道、油轮等贮油、输油设备的表里壁，煤矿、航空、纺织、粮食等职业设备的防腐涂料一般都是运用导静电涂料作为防腐涂料，这样既能够最大极限防止设备腐蚀，又能够防止电荷集聚发生静电引发火灾事故的问题。石墨烯兼具杰出的导电性和防腐蚀性，因而在导静电涂猜中运用作用很好。
漫画简介石墨烯！
2019-03-08 09:05:26
石墨烯被称为“黑金”，又被称为“新材料之王”，是现在发现的最薄、强度最大、导电导热功能最强的一种新式纳米材料，极有或许掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革新。
石墨烯的制备上，多晶薄膜有望未来1-2年内完成产业化使用，单晶石墨烯工业组成办法仍未找到，因而间隔产业化还很悠远。低成本的使用氧化还原法出产石墨烯粉体，一起可以使用CVD法出产出层数可控、大面积的石墨烯薄膜是未来研究要点，也是推进职业开展的要害点。而在使用层面，未来被看好的范畴是锂离子电池、柔性显现、太阳能电池和超级电容器。
我国在氧化石墨烯薄膜淡化海水领域获突破
2019-01-04 17:20:20
继石墨烯之父、2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆(AndreGeim)团队探索控制氧化石墨烯薄膜的孔径大小淡化海水后，日前中国科学家在该领域也获得新突破。 海水淡化示意图
10月9日，国际学术期刊《Nature》在线刊登了题目为“通过阳离子控制氧化石墨烯薄膜层间距实现离子筛分”(“Ion sieving ingraphene oxide membranes via cationic control of interlayerspacing”)的研究论文。该研究提出并实现了通过水合离子精确控制石墨烯膜的层间距，展示出优异的离子筛分和海水淡化性能。该研究来自中国科学院上海应用物理研究所研究院方海平、李景烨，以及上海大学的吴明红团队、南京工业大学金万勤团队等。
石墨烯因具有优良的光、电、力学等性能，被称为“新材料之王”、“超级材料”等。2004年，海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)成功地从石墨中分离出石墨烯，证实石墨烯可单独存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其能够在实验室通过简单的氧化生产出来。考虑到氧化石墨烯的灵活性和成本，氧化石墨烯比单层石墨烯更具有潜在优势。
据了解，精确控制(氧化)石墨烯膜的层间距在环境、能源材料等领域具有重要意义，尤其在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等应用领域中起到关键作用。对于(氧化)石墨烯纳米片，要实现其层间距固定并精确到1/10纳米这么小的尺度，其困难可想而知，更具挑战的是，(氧化)石墨烯膜在水溶液中还会发生溶胀导致分离性能严重衰减。一直以来，研究者们利用纳米技术操控、膜间修饰小分子等技术做了诸多努力但仍难以如愿。
海姆在“第四届中国国际石墨烯创新大会”上曾称，氧化石墨烯氧化物分层取得进展后，现在可得到100纳米的厚度，形成氧化石墨烯膜。该研究成果已于今年4月发表在国际学术杂志《NatureNanotechnology》上。彼时的实验证实，用他们的方法能够使氧化石墨烯薄膜对氯化钠的离子的过滤率高达97%，这意味着该膜系统能够很好地进行过滤常见的盐离子。
据上海大学网站消息，中国科学家提出了溶液中离子本身可以有效控制(氧化)石墨烯膜的层间距，并进行了相应的理论模拟计算加以验证，同时利用上海光源的X射线小角散射(BL16B1)、精细吸收谱(BL14W1)以及紫外等表征手段证明了离子与(氧化)石墨烯片层内芳香环结构之间存在水合离子-π相互作用。这样的作用像“桥墩”一样支撑石墨烯片层，精确控制了(氧化)石墨烯膜的层间距，而不同大小的水合离子相当于不同大小的“桥墩”，进而对应于不同的层间距。
通过实验成功实现并观测到(氧化)石墨烯膜与不同的离子溶液作用后具有特定的层间距，这样的间距可以小到一纳米左右，而不同离子对应的间距差异小于1/10纳米;当(氧化)石墨烯膜与水合直径小的离子溶液结合后，具有更大水合直径的离子就难以进入石墨烯膜。因此，通过离子选择可以实现对(氧化)石墨烯膜的层间距达1/10纳米的精确控制。此外，通过系列水合离子控制的多(氧化)石墨烯复合膜，从实验上实现了不同离子间的精确筛分。
该研究不仅为石墨烯膜的设计制备提供了理论与技术指导，也为其他二维材料在分离膜领域的研究开辟了新思路。
海姆曾表示，“把氧化石墨烯的薄膜应用到海水淡化当中，我认为这是一个可以实现商业化的例子。在未来海水淡化中，由于使用了氧化石墨烯，我认为它的成本将会越来越低，所以这将会是一个非常好的商业化的例子。”不过，如何在工业上大规模地、廉价地生产稳定的氧化石墨烯薄膜系统，而且还能有效抵抗有机物、盐、和生物材料的腐蚀等，可能还面临一定的挑战。
石墨烯真神奇
2019-03-07 10:03:00
近两年石墨烯的可控低成本制备技能已获得了打破性开展，有望在不久的将来构成石墨烯工业。
日前，在深圳举行的第十九届我国世界高新技能效果交易会上，石墨烯作为独具特色的新材料再次引起人们的重视，成为这个国内最大规划、最具影响力的科技展会上一个耀眼的“明星”。石墨烯到底有哪些奇特之处，能为人们带来什么惊喜?记者采访了相关专家。
人类正行进在以硅为首要物质载体的信息年代，下一个量子年代，石墨烯很或许锋芒毕露
和金刚石相同，石墨是碳元素的一种存在方式。风趣的是，因为原子结构不同，金刚石是地球上自然界最坚固的东西，石墨则成了最软的矿藏之一，常做成石墨棒和铅笔芯。
科学家介绍说，石墨烯是从石墨材料中剥离出来，只由一层碳原子构成、按蜂窝状六边形摆放的平面晶体。浅显地讲，石墨烯就是单层石墨。一块厚1毫米的石墨大约包括300万层石墨烯;铅笔在纸上悄悄划过，留下的痕迹就或许是好多层石墨烯。
这种只要一个原子厚度的二维材料，一向被以为是假定性的结构，无法独自安稳存在。直至2004年，两位英国科学家成功地从石墨中别离出石墨烯，证明了其可以独自存在，并因而一起获得2010年诺贝尔物理学奖。
据我国电科55所所长、微波毫米波单片集成和模块电路要点试验室主任高涛博士介绍，石墨烯共同的结构让它具有更导电、更传热、更坚固、更透光等优异的电学、热学、力学、光学等方面的功能。轻浮、强韧、导电、导热……石墨烯这些特性赋予人们许多幻想空间。
石墨烯的特色首先是薄，可谓现在世界上最薄的材料，只要一个原子那么厚，约0.3纳米，是一张A4纸厚度的十万分之一、一根头发丝的五十万分之一。与此一起，石墨烯比金刚石更硬，透光率高达97.7%，是世界上最坚固又最薄的纳米材料。
一起，它又能导电。石墨烯的电子运转速度达1000千米/秒，是光速的1/300，十分合适制造下一代超高频电子器材。石墨烯仍是传导热量的高手，比最能导热的银还要强10倍。
石墨烯的特性，也体现得很“好玩”。比方当一滴水在石墨烯表面翻滚时，石墨烯能敏锐地“察觉”到纤细的运动，并发生继续的电流。这种特性给科学家供给了一种新思路——从水的活动中获取电能。比方，在雨天可以用涂有石墨烯的雨伞进行发电，或许可以做成活络的传感器材等。
“人类阅历了石器、陶器、铜器、铁器年代，正行进在以硅为首要物质载体的信息年代;而下一个量子年代哪种材料将锋芒毕露呢?很或许是石墨烯。”浙江大学高分子科学与工程学系教授高明说。
未来电动轿车运用石墨烯电池，花两三分钟就或许把电充溢
因为石墨烯的奇特功能，加上制备简洁、研讨视角多维，其运用潜力巨大、适用职业广大，成为抢眼的材料“新星”一点不古怪。石墨烯从发现到现在仅10余年的时刻，已获得了许多令人震慑的研讨效果，称得上是人类历史上从发现到运用最快的材料。
高明说，从材料化学视点看，石墨烯会带来资源、环境、化工、材料、动力、传感、交通机械、光电信息、健康智能、航空航天等范畴的改动或革新。我国石墨矿储量丰厚，约占全世界的75%，其高效开发将引起碳资源及我国大资源战略的新定位、新考虑、新规划。
石墨烯的工业化出产则将促进化工、机械、智造、自控等职业的技能前进。石墨烯的增加可以发生多功能复合材料，用来制造高功能电池、电容器。石墨烯传感器可以在生物检测、光电勘探方面大显神通，石墨烯及其它二维材料的异质叠合材料可制造高功能晶体管。
可以说，石墨烯技能将对咱们的吃、穿、住、行、用、玩都发生影响。石墨烯复合膜阻氧阻水功能好，可前进食物保质期;石墨烯纤维可制成发热服饰和医疗保健用品;石墨烯电热膜电热转化效率高，可逐渐替代暖气供热;石墨烯系列材料可用于轿车、火车等交通工具，石墨烯导热膜可用于手机高效散热……
石墨烯另一个被寄予厚望的运用范畴是电能贮存。它的优势在于充电速度快，并且可以重复运用几万次。但现在石墨烯存储的电量不如电池多，还无法存储足够多的电能。未来，跟着充电设备的日益完善和相关技能的前进，电动轿车运用石墨烯电池，花两三分钟就或许把电充溢。
我国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路要点试验室副主任孔月婵博士介绍说，石墨烯的电子运转速度是硅的十倍，由石墨烯制造的高频器材理论上作业频率可以到达硅的十倍乃至上百倍。石墨烯引发的技能很或许从人们常见的小小芯片开端。
此外，科研人员已完结柔性衬底晶体管的研发，正在测验柔性通讯电路的研发。未来不管是可以折叠的显现屏幕，仍是可以植入人体的可穿戴设备，都或许靠这样的石墨烯器材来完成。
高涛以为，即便在试验室条件下，石墨烯的奇特功能仍然没有彻底释放出来。因为技能层面还存在着不少应战，真实大面积运用还有很长的路要走。但经过加强需求和研讨的结合，不断在石墨烯材料的制备和器材研发方面获得重要打破，发明更多更新更具颠覆性的运用，石墨烯这种新一代战略性新式材料将会极大改动人们的生发日子。
国内石墨烯研讨与国外底子同步，有望在不久的将来构成石墨烯工业
石墨烯一向是世界上的研讨热门，并在不断升温。近几年来，全球石墨烯相关的论文和发明专利简直呈指数式增加，不只各类优异的物理化学功能被猜测、证明，并且由此生宣布许多详细的研讨方向。
据了解，许多国家正在抢夺石墨烯技能的制高点。欧盟石墨烯旗舰方案以石墨烯传感为首要研讨方向，美国正在测验使用石墨烯完成通讯的柔性化并获得了明显的效果，韩国继续支撑石墨烯柔性显现的研讨并制备出了演示产品。
高涛说，整体来讲，世界上石墨烯各项优异功能正逐渐从试验室研讨向产品运用过渡，一起一些潜在的功能或运用还在不断被开掘。但这个工程化是一个长时间而困难的进程，给我国完成赶超世界水平、占据技能制高点带来了绝好的机会。
高明以为，现在国内石墨烯研讨与国外底子同步，一些方面有原创和引领性效果。国内研讨侧重化学和材料，国外更偏机理和器材。国内石墨烯的研讨在理论研讨方面可说是已完成与世界先进水平“并跑”，论文、专利不管数量仍是质量都具有很强的世界竞争力。到2016年3月，我国石墨烯的专利总数占全世界的56%。与此一起，国家赞助了很多有关石墨烯的基础研讨项目，开始构成了政府、科研机构和厂商协同立异的产学研协作对接机制。
例如，清华大学开宣布米级石墨烯单晶薄膜的快速制备技能;我国电科55所研宣布了世界上最快的柔性石墨烯晶体管;浙江大学纳米高分子团队则经过近十年研讨，开宣布了石墨烯纤维、石墨烯接连拼装膜、石墨烯超轻气凝胶及石墨烯无纺布等。
受访专家指出，各个方向不断呈现令人惊喜的研讨效果，让人们对石墨烯的未来充溢等待。但整体来讲，石墨烯技能成熟度还比较低。关于石墨烯的开展，其限制要素或许说难点，首要在材料制备技能、全新规划理念和二维控制技能等方面。其间，高品质、大批量的石墨烯质料问题暂时没有底子处理，还需要进行很多技能攻关。有些技能如单层氧化石墨烯、石墨烯单晶等在试验室制备成功了，但完成工程化、接连性、低成本、高效安稳制备还有较长的路要走。只要真实高品质的石墨烯量产了，颠覆性运用才会呈现。
不过科学家们也比较达观，近两年石墨烯的可控低成本制备技能已获得了打破性开展，有望在不久的将来构成石墨烯工业。
石墨烯基础科研现状
2019-01-04 09:45:43
石墨烯从其诞生至今不过10年光景。2004年为石墨烯科学研究的萌芽阶段，随后即进入快速成长阶段;从2008年开始，尤其是在2010年石墨烯发明者获得了诺贝尔奖之后，关于石墨烯的基础科研工作开展得如火如荼。
下文从专利分布、研究机构分布、研究领域分布和主要研究成果等方面梳理目前石墨烯的基础科研动向。
一、专利分布
目前全球共有超过200个机构和1000多名研究人员从事石墨烯技术的开发和研究，其中包括三星、IBM等科技巨头。我们通过最近几年的专利申请情况对目前石墨烯的研究进展进行概览。从专利申请总量来看，2010年以来全球石墨烯专利申请总量呈爆发式增长;2012年全球石墨烯专利申请量已经达到3500个，可见目前全球范围内正在掀起石墨烯研究与开发的高潮。
从石墨烯专利申请国别分布来看，2013年全球石墨烯专利申请量最大的是中国，其次为美国、韩国和日本。在石墨烯相关论文方面，欧盟排名第一，2013年共发表了7800篇论文;就国别而论，依然是中国排名第一，共发表了6649篇论文。
总体而言，目前中国已经处在石墨烯研究的前沿阵地;但是，从研究深度和创新性而言，非常核心的技术和创新性技术中国仍未掌握。二、研究机构分布
从事石墨烯研究的机构比较广泛，包括学术研究机构、企业、个人和政府层面。比较普遍的研究模式是学术研究机构与企业的合作，例如韩国三星与韩国成均馆大学合作对石墨烯的制备基础方法和应用开展研究。
从研究机构专利数量口径看，在前十名中，有4家机构来自韩国，4家来自中国，2家来自美国。并且，6家机构都是科研院所或独立科研机构，4家为企业。其中，专利数量最多的是韩国三星电子，其专利申请数量为210个，占全球总量的7.3%，其研究范围涵盖了石墨烯制备方法和在显示屏、锂电池领域的应用;其次为韩国成均馆大学、浙江大学、IBM、清华大学等。三、研究领域分布
从石墨烯研究领域分布看，全球研究热点主要在材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究、纳米材料研究等。
中国石墨烯研究热点主要分布石墨烯纳米复合材料、石墨烯制备、石墨烯电极等方向。我们统计了前20位主要研究机构的重点研究领域，发现研究热点分布于：(1)复合材料;(2)碳纳米管;(3)电容器;(4)传感器;(5)晶体管;(6)透明电极;(7)锂电池;(8)燃料电池。上述研究大多属于石墨烯应用，而关于石墨烯的制备改进工艺或者大规模量产石墨烯的基础研究非常少。
四、最新研究成果
在石墨烯制备方面，最新的研究成果是在生成单晶石墨烯的方法上，目前有两种方法已经能获得直径约为1mm的单晶石墨烯和直径为25px的单晶石墨烯，但是这两种方法各有优劣。
在石墨烯应用方面，最新的研究成果包括把作为光敏元件(PD)的光增益提高到了原来的约1000倍、提高柔性湿度传感器的响应时间等。在锂电池、半导体、传感器、无线通讯、电容器、电子元件、海水淡化等多个领域都有重大突破。
在众多最新研究成果中，属于中国研究机构的成果依然稀少，印证了前文中我们提到的，虽然中国在专利申请和论文发表方面在国际领先，但是在真正的研究前沿方面距离美国、日本和韩国等国家仍有一定差距。
碳纳米管及石墨烯导电浆料在锂电池中的应用
2019-03-06 10:10:51
导电浆料是电子元器件封装、电极和互联的要害材料。导电剂都各自有各自的特色，形状也是各有千秋。锂离子电池出产的供应商大多会依据导电剂的形状、颗粒巨细、比表面积、导电功能的不同而混合调配运用导电剂。
当时锂电池运用较广泛的导电剂可分为导电炭黑、导墨和新式导电剂等三大类，新式导电剂首要指碳纳米管、石墨烯等。
常见的导电剂理化参数比照相较于传统的导电剂，新式导电剂碳纳米管、石墨烯存有必定的优势。
碳纳米管(1) 碳纳米管具有杰出的电子导电性,纤维状结构可以在电极活性材料中构成接连的导电网络;
(2) 增加碳纳米管后极片有较高的耐性, 能改进充放电过程中材料体积改变而引起的脱落, 前进循环寿数;
(3) 碳纳米管可大起伏前进电解液在电极材料中的浸透才能;
(4) 碳纳米管的首要缺陷在于不易涣散。
石墨烯作为导电剂的作用与其参加量密切相关，在参加量较小的情况下，石墨烯因为可以更好地构成导电网络，作用远好于导电炭黑。
碳纳米管vs石墨烯，谁更胜一筹?
一方面，从导电机理分析，石墨烯经过点面触摸来导电，碳纳米管则由点线触摸传输。一般来说，触摸的面积越大导电功能就会越好。导电剂一般要以最少的量完成最优的导电功能。从导电功能上看，石墨烯的导电性更胜一筹。但碳纳米管在电解液中的吸液才能更强。
另一方面，两者的开展都存有瓶颈。现在业界共同以为：真实意义上的石墨烯制造本钱高，难以完成产业化;而碳纳米管最大的难题则是涣散。相较之下，碳纳米管的涣散比石墨烯的“难产”更简单霸占。此外，功能相差不多的情况下，报价或许才是厂商更为介意的问题。而本钱的下降很大程度上得益于工艺的前进。从这个视点讲，谁的工艺先进、本钱低，谁就会赢得锂电池商场先机。
石墨烯在水性涂料中应用
2019-03-07 09:03:45
水性涂料是国家发起开展的环境友好型涂料，但某些功用尚不及相应的溶剂型涂料，影响其开展。石墨烯具有共同功用，可改善水性涂料功用，促进其开展，给涂料作业者带来新的等待。石墨烯在涂猜中运用首先是改性溶剂型涂料，但用于改性水性涂料也有显着开展。改性办法可用共混法复合改性，也可用原位聚合和溶胶-凝胶技能复合法改性，还可用偶联剂润饰，一同实施不同的功用改性。
1 用钛酸酯偶联剂润饰水涣散改性石墨烯
按通用办法将石墨制成氧化石墨烯，向氧化石墨烯涣散液内分别参加钛酸酯和，在水浴加热法下发作反响，使氧化石墨烯复原并一同嫁接上钛酸酯偶联剂分子。将取得的混合液进行后处理和真空枯燥，得到粉末状改性石墨烯。
因为钛酸酯偶联剂对氧化石墨烯进行了表面润饰，不再发生聚会，故石墨烯水涣散体稳定性高，可长期储存，合适用于复合材料及涂层材料的制备。制备工艺简洁，出产效率高，出产进程和产品均能契合环保要求。
2 石墨烯与基体树脂共混复合水性涂料
2.1 水性导电涂料
石墨烯/聚酯树脂复合水性导电涂料。用Hummers法制备氧化石墨烯，经两步化学复原法得到有机分子润饰的石墨烯水溶液，参加聚酯、助剂和交联剂、催化剂，经液态共混，制备得到水性导墨烯涂料。该涂料具有高导电功用和力学功用，可运用于电磁屏蔽、抗静电、防腐、散热、耐磨及电子线路等范畴，具有广泛的运用价值。
2.2 石墨烯改性水性环氧树脂耐磨玻璃涂料
石墨烯改性的耐磨水性玻璃涂料由两组分组成，榜首组分为基体成膜物，第二组分为固化剂。其间榜首组分包含改性环氧树脂20%～40%、助剂0.5%～7%、氧化石墨烯0.1%～5%、偶联剂1%～2%，其他为水(均为质量分数);第二组分是胺类固化剂。在运用前将两组分混合，其间第二组分占混合物质量分数的3%～30%。该涂料具有硬度高、耐磨性好、与玻璃基底亲和力与附着力强、耐水、耐乙醇性好，且契合环保要求。别的制备办法简洁，具有重要的商业化运用价值。
2.3 石墨烯改性酸酯聚合物水泥防水涂料
用Hummers法制备的氧化石墨烯参加酸酯类聚合物乳液中，参加选用的助剂，按份额参加水泥，拌和涣散，制成氧化石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料。该涂料显着增加了酸酯类聚合物乳液成膜的抗拉强度;进步了耐水性;此外，氧化石墨烯丰厚的含氧官能团能够调理水泥水化产品晶体的成长，进步其抗拉强度和耐性。故氧化石墨烯改性的聚合物水泥防水涂料具有杰出的耐久性、抗渗性以及物理力学功用，运用远景宽广。
2.4 石墨烯改性聚酯树脂复合水性涂料
2.4.1 石墨烯/水性聚酯纳米复合乳液
将真空脱水的聚醚多元醇(N210)和TDI反响制得聚酯预聚体，参加二羟甲基引进亲水羧基，加中和盐基化，参加氧化石墨烯水溶液、去离子水和乙二胺进行乳化反响，减压蒸馏出后，滴加维生素C溶液进行原位复原反响，得到石墨烯/水性聚酯纳米复合乳胶树脂。该乳胶树脂可运用于静电防护、防腐涂层、建筑涂料等范畴，本发明工艺简洁、环保、合适大规模出产。
2.4.2 石墨烯/TiO2复合材料改性水性聚酯抗菌涂料
纳米TiO2作为光催化纳米材料的一种，有抗菌灭菌效果，但它关于可见光吸收率较低，纳米粒子趋向于集合，大大降低了其灭菌效果。在含纳米TiO2抗菌涂猜中，引进5%以下的石墨烯，显着进步涂料对可见光吸收率，并加强纳米TiO2的光催化活性和抗菌、灭菌才能，使改性后的水性聚酯在抗菌灭菌归纳功用方面有很大进步。而且具有杰出的表面功用、耐水性和力学功用。
3 石墨烯/聚酯原位聚合的水性导电涂料
石墨烯比较传统的碳系导电填料(炭黑、石墨、碳纳米管、碳纤维等)具有愈加优异的导电性及机械功用。
用二元胺对氧化石墨烯进行基化改性，后用化学复原康复石墨烯的共导电系统，使用石墨烯表面的—NH与—NCO封端的水性聚酯原位聚合，制得含石墨烯的水性聚酯导电涂料。
该导电涂料具有防辐射、抗静电、防腐蚀、耐磨等特性，可用于高分子材料、金属材料、纺织材料表面等方面。
4 用溶胶-凝胶技能制备改性石墨烯/水性聚酯纳米复合涂料
中国科技大学Xin Wang等于2012年在《Surface& CoatingsTechnology》上宣布了他们的研讨论文：用溶胶-凝胶技能制备改性石墨烯/水性聚酯复合纳米涂料，分3部分：
(1)硅烷改性石墨烯纳米薄膜制备。用Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，然后对GO水涣散体用化学复原成GNS，再用DCC(N,N'-二环己基碳化二亚胺)和3-基丙基三乙氧基硅烷(APTES)功用改性，用超声波涣散1h，在70 ℃下拌和反响24 h，经后处理得到APTES功用改性的石墨烯纳米膜f-GNS。
(2)硅烷APTES封端的水性聚酯(WPU)制备。用异佛尔酮二异酸酯(IPDI)、聚氧化丙二醇、一缩二乙二醇和三羟甲基混合多元醇组成PU预聚物，再和二羟甲基反响，然后加APTES反响，得到APTES封端的水性聚酯(WPU)，产率86.3%，数均分子量28600(GPC测定)。
(3)溶胶-凝胶技能制备f-GNS/WPU纳米复合涂料。凭借超声波将f-GNS粉末涣散在去离子水中制成悬浮液，将APTES封端的WPU参加其间一同混合，用调理pH值，制成f-GNS/WPU纳米复合涂料。
用1H-NMR、FTIR、XPS、GPC、AFM、HRTEM等表征了GO、f-GNS的结构，根本验证了图1所示的分子结构式与反响进程，及f-GNS/WPU纳米复合涂料产品结构和组成。纳米复合物中的T1、T2和T3代表了单、二和三替代的硅烷键合，证真实APTES封端的WPU和f-GNS相邻的硅氧烷分子之间缩聚反响，构成共价键。
5 结 语
5.1 石墨烯具有共同功用，研制热潮在全球突起
石墨烯是当今世界发现的“至薄”的晶体材料，厚度只要1个碳原子，也是“至坚”材料之一，并具有高导电性、高导热性。猜测在航空航天、世界勘探、海洋开发、国防工业、国民经济各方面具有不可估量的运用远景，研讨热潮在全球突起，国内也起步不俗，开展较快。
5.2 石墨烯在改性涂料功用方面展现了新的远景
对石墨烯在导电、防腐、阻燃、导热和高强度等功用涂猜中都具有十分诱人的潜在远景。
石墨烯与各种涂料树脂经过物理共混、原位聚合和溶胶-凝胶技能等法复合;或用偶联剂润饰，或选用原位聚合等工艺。这些工艺在改性水性涂猜中均证明可行，且功用改善显着。水性涂料经石墨烯改性，其功用有望“更上一层楼”，其进一步开展可期。
5.3 石墨烯改性涂料研制脚步初迈，要正确促进石墨烯出产及运用的开发热潮继续升温，但应镇定对待。
对出产厂商而言，石墨烯出产技能是否到达世界最先进，是否契合清洁文明出产工艺要求，本钱是否合理，有许多技能作业要做。石墨烯在涂猜中的运用，国内有不少研讨作业和专利宣布，开展势头较好，但不能说“已入胜境”。石墨烯和涂料树脂复合办法、助剂挑选、功用性改善，研制的空间都很大。国内宣布石墨烯改性水性涂料的作业和专利多是实验室效果，要到达有用并产业化，要更多投入，有许多研制作业要做。
石墨烯的时代，还远没有到来
2019-03-06 10:10:51
导读前不久，任正非在承受媒体采访时宣称，未来10至20年内会迸发一场技能，“我以为这个年代将来最大的推翻，是石墨烯年代推翻硅年代”，“现在芯片有极限宽度，硅的极限是七纳米，现已接近鸿沟了，石墨是技能前沿”。这儿说到的石墨烯，终究是何方神圣？它真的能带来推翻吗？扫描电镜下的石墨烯，显现出其碳原子组成的六边形结构。图片来历：Lawrence Berkley National Laboratory石墨烯——一种只需一个原子厚的二维碳膜——确实是种令人惊奇的材料。尽管姓名里带有石墨二字，但它既不依靠石墨储量也彻底不是石墨的特性：石墨烯导电性强、可弯折、机械强度好，看起来颇有未来奇特材料的风仪。假如再把它的潜在用处开个清单——维护涂层，通明可弯折电子元件，超大容量电容器，等等——那简直是改动国际的发明。连2010年诺贝尔物理学奖都颁发了它呢！其实就在2012年，因石墨烯而取得诺贝尔奖的康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和他的搭档曾经在《天然》上发表文章评论石墨烯的未来，两年来的开展也根本证明了他们的猜测。他以为作为一种材料，石墨烯“出路是光亮的、路途是曲折的”，尽管将来它或许能发挥严重效果，可是在战胜几个严重困难之前，这一场景还不会到来。更重要的是，考虑到工业更新的巨大本钱，石墨烯的优点或许不足以让它简略地代替现有的设备——它的真实远景，或许在于为它的共同特性量身定做的全新运用场合。
石墨烯终究是什么？
石墨烯是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。碳原子之间彼此连接成六角网格。铅笔里用的石墨就适当于许多层石墨烯叠在一起，而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。石墨、石墨烯、碳纳米管和球烯之间的联系。图片来历：enago.com由于碳原子之间化学键的特性，石墨烯很坚强：能够曲折到很大视点而不开裂，还能反抗很高的压力。而由于只需一层原子，电子的运动被约束在一个平面上，为它带来了全新的电学特点。石墨烯在可见光下通明，但不透气。这些特征使得它十分合适作为维护层和通明电子产品的质料。
可是合适归合适，真的做出来还没那么快。
问题之一：制备方法。
许多项研讨向咱们展示了石墨烯的惊人特征，但有一个圈套。这些美好的特性对样品质量要求十分高。要想取得电学和机械功能都最佳的石墨烯样品，需求最费时吃力费钱的手法：机械剥离法——用胶带粘到石墨上，手艺把石墨烯剥下来。诺沃肖洛夫团队捐赠给斯德哥尔摩的石墨、石墨烯和胶带。胶带上的签名“Andre Geim”就是和诺沃肖洛夫一起取得诺贝尔奖的人。图片来历：wikipedia尽管所需的设备和技能含量看起来都很低，但问题是成功率更低，弄点儿样品做研讨还能够，工业化出产？恶作剧。要论工业化，这手法毫无用处。哪怕你把握了全国际的石墨矿，一天又能剥下来几片……
当然现在咱们有了许多其他方法，能增加产值、降低本钱——费事是这些方法的产品质量又掉下去了。咱们有液相剥离法：把石墨或许相似的含碳材料放进表面张力超高的液体里，然后超声轰炸把石墨烯雪花炸下来。咱们有化学气相堆积法：让含碳的气体在铜表面上冷凝，构成的石墨烯薄层再剥下来。咱们还有直接成长法，在两层硅中间直接设法长出一层石墨烯来。还有化学氧化还原法，靠氧原子的刺进把石墨片层别离，如此等等。方法有许多，也各自有各自的适用范围，可是迄今为止还没有真的能合适工业化大规模推行出产的技能。
这些方法为什么做不出高质量的石墨烯？举个比如。尽管一片石墨烯的中心部分是完美的六元环，但在边际部分往往会被打乱，成为五元或七元环。这看起来没啥大不了的，可是化学气相堆积法发生的“一片”石墨烯并不真的是完好的、从一点上成长出来的一片。它其实是多个点一起成长发生的“多晶”，而没有方法能确保这多个点长出来的小片都能完好对齐。所以，这些变形环不光散布在边际，还存在于每“一片”这样做出来的石墨烯内部，成为结构缺点、简略开裂。更糟糕的是，石墨烯的这种开裂点不像多晶金属那样会自我愈合，而很或许要一向延伸下去。成果是整个石墨烯的强度要折半。材料是个费事的范畴，想鱼与熊掌兼得不是不或许，但必定没有那么快。显微镜下的一块石墨烯，伪色符号。每一“色块”代表一片石墨烯“单晶”。图片来历：Cornell.edu
问题之二：电学功能。
石墨烯一个有远景的方向是显现设备——触屏，电子纸，等等。可是现在而言石墨烯和金属电极的接触点电阻很难抵挡。诺沃肖洛夫估量这个问题能在十年之内处理。
可是为啥咱们不能爽性扔掉金属，全用石墨烯呢？这就是它在电子产品范畴里最丧命的问题。现代电子产品全部是建筑在半导体晶体管之上，而它有一个要害特点称为“带隙”：电子导电能带和非导电能带之间的区间。正由于有了这个区间，电流的活动才干有非对称性，电路才干有开和关两种状况——可是，石墨烯的导电功能真实太好了，它没有这个带隙，只能开不能关。只需电线没有逻辑电路是毫无用处的。所以要想靠石墨烯发明未来电子产品，代替硅基的晶体管，咱们有必要人工植入一个带隙——可是简略植入又会使石墨烯损失它的共同特点。现在针对这个范畴的研讨确实不少：多层复合材料，增加其他元素，改动结构等等；可是诺沃肖洛夫等人以为这个问题要真实处理，还要至少十年。
问题之三：环境危险。
石墨烯工业还有一个意想不到的费事：污染。石墨烯工业现在最老练的产品之一或许是所谓“氧化石墨烯纳米颗粒”，它很廉价，虽不能用来做电池、可弯折触屏等高端范畴，作为电子纸等用处却是适当不错；可是这东西对人体很或许是有毒的。有毒没关系，只需它老老实实呆在电子产品里，那就没有任何问题；可是前不久研讨者刚发现它在地表水里十分安稳、极易分散。尽管现在对它的 环境影响下断语还为时太早，但这确实是个潜在问题。
所以，石墨烯的命运终究怎么？
鉴于曩昔几个月里学界并无新的突破性发展，近来它的这波突发性“炽热”，恐怕本质上仍是本钱运转的炒作成果，应审慎对待。作为工业技能，石墨烯看起来还有许多未能战胜的困难。诺沃肖洛夫指出，现在石墨烯的运用仍是受限于材料出产，所以那些运用最初级最廉价石墨烯的产品（比如氧化石墨烯纳米颗粒），会最早问世，或许只需几年；可是那些依靠于高纯度石墨烯的产品或许还要数十年才干开发出来。关于它能否代替现有的产品线，诺沃肖洛夫仍然心存疑虑。
另一方面，假如商业范畴过度夸张其奇特之处，或许会导致石墨烯工业变成泡沫；一旦决裂，那么或许技能和工业的发展也无法解救它。科学作者菲利普·巴尔曾经在《卫报》上撰文《不要希望石墨烯带来奇观》，指出一切的材料都有其适用范围：钢坚固而沉重，木头简便但易腐，就算看似“全能”的塑料其实也是种种截然不同的高分子各显神通。石墨烯一定会发挥巨大的效果，可是没有理由以为它能成为奇观材料、改动整个国际。或许，用诺沃肖洛夫自己的话说：“石墨烯的真实潜能只需在全新的运用范畴里才干充沛展示：那些设计时就充沛考虑了这一材料特性的产品，而不是用来代替现有产品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折叠电子产品，可折叠太阳能电池，和超级电容器等等新范畴能否发挥它的潜能，就让咱们平心静气拭目而待吧。
石墨烯导电性
