石墨烯的分散及其在重防腐涂料中的应用

作者:鹏翼化工机械来源:秦皇岛鹏翼化工机械有限公司 浏览次数: 日期:2017-12-23 15:08

分散是实现先进碳材料应用的重要前提之一,对于石墨烯类材料尤为重要,一方面,石墨烯神奇的性能是纯石墨烯单片尺度上的性能,聚集或不适当改性的石墨烯部分或全部失去了那些神奇的性能;另一方面,制备工艺过程对可操作性、可加工性(如旋图)要求将石墨烯分散在水或有机溶剂中。

而由于π-π耦合、范德华力和高比表面积,石墨烯会发生不可逆的团聚现象,甚至重新排列回石墨结构,导致制备石墨烯的稳定分散十分困难,目前来看,石墨烯的分散还有很多基本问题有待解决。

一、石墨烯分散是实现产业化的必经之路

 

石墨烯产业化应用研究逻辑进程 

如上所示,石墨烯产业化必须要解决两个基本问题:

一是石墨烯的制备技术,即在合理价格得到具有接近理论性质的石墨烯产品,现今石墨烯工业化产品性能参差不齐,远达不到理论水平;

二是石墨烯的分散技术,即不损害石墨烯结构与性能的高度分散方法。

只有上述两个问题得到有效解决,石墨烯价值才能在商业上实现。

二、     石墨烯分散需要解决六大基本问题

Ø  石墨烯分散的挑战性首先源于对石墨烯深度分散的必然要求,将石墨烯分散到单片或初级粒子状态;

Ø  源于石墨烯对通过化学改性实现分散这一手段的低容忍性甚至抵触性;化学改性,势必干扰或一定程度上破坏π-π的完整性,从而降低或失去本征态石墨烯的优异性能;

Ø  源于石墨烯本身既不亲水又不亲油的结构特征;一般的分散剂分子又较难与石墨烯形成较强的物理吸附作用,所以使用表面活性分散石墨烯的物理手段也将受限;

Ø  源于石墨烯的π-π结构和强的范德华力,使石墨烯极易团聚,而且团聚体难以再分开;

Ø  还源于石墨烯极高的长径比和比表面积;

Ø  石墨烯的分散还面临着实际生产操作性方面的难题。例如,4%浓度的水型石墨烯浆料已是膏态,不具有流动性,这为生产过程中物料传输、分散和化学反应造成了困难。

三、石墨烯的分散方法简介

 

四、石墨烯的分散在重防腐涂料中的应用

高性能的石墨烯重防腐涂料制备关键技术就是石墨烯的分散问题。余海斌团队设计并合成了具有电活性和缓冲能力的π-表面活性剂。通过π-π相互作用使石墨烯在分散剂作用下可高效分散在水和有机溶剂中。

通过分散剂和石墨烯的红外、拉曼、紫外的特征峰位移证明分散剂与石墨烯之间存在π-π相互作用,通过透射电镜和原子力显微镜分析表明石墨烯在溶液中主要以3~5层的纳米片层形式存在。

分散改性石墨烯表征:

 

a)红外谱图;(b)拉曼光谱图;(c)紫外谱图;(d)透射电镜照片

使用TEM对分散剂对石墨烯在树脂中的分散效果进一步表征可发现石墨烯在树脂中分散效果良好,无团聚现象且石墨烯均匀无规则的排列在树脂基体中,研究结果表明,分散剂处理后的石墨烯可高效地分散在环氧树脂、聚氨酯树脂等涂料树脂中。

研究结果表明,石墨烯可以明显提高树脂基体的防护性能。值得一提的是,石墨烯的分散状态及含量与涂料整体防护性能有重要联系。若石墨烯分散不均匀,石墨烯不仅起不到好的作用,还可能形成水汽通道,加速涂层的腐蚀失效。

五、小结

分散是实现石墨烯材料产业化的重要前提之一,而目前关于分散石墨烯粉体的研究报道极少,这一方面是由于目前制备手段很难获得一定量的石墨烯;另一方面,石墨烯即使得到生产,估计也不会以纯粹的粉体状存在,因为没有经过稳定化处理的石墨烯有可能重新团聚成石墨(片)。所以,目前的研究重点是物理或在弱的化学条件下剥离石墨并形成稳定的石墨烯分散系统。

物理分散法一般分散能力有限,化学分散法虽然分散能力强,但是一般会导致共轭片层结构出现缺陷,相比较而言,非共价键修饰的官能团是一个较好的方式,基于范德华力和π-π相互作用,可以在石墨烯表面接枝比较好的高分子,这样可以避免产生缺陷及破坏片层表面的共轭结构。

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