石墨烯的分散及其在重防腐涂料中的應(yīng)用

分散是實現(xiàn)先進碳材料應(yīng)用的重要前提之一，對于石墨烯類材料尤為重要，一方面，石墨烯神奇的性能是純石墨烯單片尺度上的性能，聚集或不適當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，制備工藝過程對可操作性、可加工性（如旋圖）要求將石墨烯分散在水或有機溶劑中。

而由于π-π耦合、范德華力和高比表面積，石墨烯會發(fā)生不可逆的團聚現(xiàn)象，甚至重新排列回石墨結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致制備石墨烯的穩(wěn)定分散十分困難，目前來看，石墨烯的分散還有很多基本問題有待解決。

一、石墨烯分散是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路

石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究邏輯進程 

如上所示，石墨烯產(chǎn)業(yè)化必須要解決兩個基本問題：

一是石墨烯的制備技術(shù)，即在合理價格得到具有接近理論性質(zhì)的石墨烯產(chǎn)品，現(xiàn)今石墨烯工業(yè)化產(chǎn)品性能參差不齊，遠達不到理論水平；

二是石墨烯的分散技術(shù)，即不損害石墨烯結(jié)構(gòu)與性能的高度分散方法。

只有上述兩個問題得到有效解決，石墨烯價值才能在商業(yè)上實現(xiàn)。

二、     石墨烯分散需要解決六大基本問題

Ø  石墨烯分散的挑戰(zhàn)性首先源于對石墨烯深度分散的必然要求，將石墨烯分散到單片或初級粒子狀態(tài)；

Ø  源于石墨烯對通過化學(xué)改性實現(xiàn)分散這一手段的低容忍性甚至抵觸性；化學(xué)改性，勢必干擾或一定程度上破壞π-π的完整性，從而降低或失去本征態(tài)石墨烯的優(yōu)異性能；

Ø  源于石墨烯本身既不親水又不親油的結(jié)構(gòu)特征；一般的分散劑分子又較難與石墨烯形成較強的物理吸附作用，所以使用表面活性分散石墨烯的物理手段也將受限；

Ø  源于石墨烯的π-π結(jié)構(gòu)和強的范德華力，使石墨烯極易團聚，而且團聚體難以再分開；

Ø  還源于石墨烯極高的長徑比和比表面積；

Ø  石墨烯的分散還面臨著實際生產(chǎn)操作性方面的難題。例如，4%濃度的水型石墨烯漿料已是膏態(tài)，不具有流動性，這為生產(chǎn)過程中物料傳輸、分散和化學(xué)反應(yīng)造成了困難。

三、石墨烯的分散方法簡介

四、石墨烯的分散在重防腐涂料中的應(yīng)用

高性能的石墨烯重防腐涂料制備關(guān)鍵技術(shù)就是石墨烯的分散問題。余海斌團隊設(shè)計并合成了具有電活性和緩沖能力的π-表面活性劑。通過π-π相互作用使石墨烯在分散劑作用下可高效分散在水和有機溶劑中。

通過分散劑和石墨烯的紅外、拉曼、紫外的特征峰位移證明分散劑與石墨烯之間存在π-π相互作用，通過透射電鏡和原子力顯微鏡分析表明石墨烯在溶液中主要以3~5層的納米片層形式存在。

分散改性石墨烯表征：

（a）紅外譜圖；（b）拉曼光譜圖；（c）紫外譜圖；（d）透射電鏡照片

使用TEM對分散劑對石墨烯在樹脂中的分散效果進一步表征可發(fā)現(xiàn)石墨烯在樹脂中分散效果良好，無團聚現(xiàn)象且石墨烯均勻無規(guī)則的排列在樹脂基體中，研究結(jié)果表明，分散劑處理后的石墨烯可高效地分散在環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂等涂料樹脂中。

研究結(jié)果表明，石墨烯可以明顯提高樹脂基體的防護性能。值得一提的是，石墨烯的分散狀態(tài)及含量與涂料整體防護性能有重要聯(lián)系。若石墨烯分散不均勻，石墨烯不僅起不到好的作用，還可能形成水汽通道，加速涂層的腐蝕失效。

五、小結(jié)

分散是實現(xiàn)石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化的重要前提之一，而目前關(guān)于分散石墨烯粉體的研究報道極少，這一方面是由于目前制備手段很難獲得一定量的石墨烯；另一方面，石墨烯即使得到生產(chǎn)，估計也不會以純粹的粉體狀存在，因為沒有經(jīng)過穩(wěn)定化處理的石墨烯有可能重新團聚成石墨（片）。所以，目前的研究重點是物理或在弱的化學(xué)條件下剝離石墨并形成穩(wěn)定的石墨烯分散系統(tǒng)。

物理分散法一般分散能力有限，化學(xué)分散法雖然分散能力強，但是一般會導(dǎo)致共軛片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，相比較而言，非共價鍵修飾的官能團是一個較好的方式，基于范德華力和π-π相互作用，可以在石墨烯表面接枝比較好的高分子，這樣可以避免產(chǎn)生缺陷及破壞片層表面的共軛結(jié)構(gòu)。