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            石墨烯的分散及其在重防腐涂料中的應(yīng)用

            更新時(shí)間:2021-08-24點(diǎn)擊次數(shù):662
              石墨烯的分散及其在重防腐涂料中的應(yīng)用
              分散是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)碳材料應(yīng)用的重要前提之一,對(duì)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(dāng)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(duì)可操作性、可加工性(如旋圖)要求將石墨烯分散在水或有機(jī)溶劑中。
              而由于π-π耦合、范德華力和高比表面積,石墨烯會(huì)發(fā)生不可逆的團(tuán)聚現(xiàn)象,甚新排列回石墨結(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(shí)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(jìn)程
              如上所示,石墨烯產(chǎn)業(yè)化必須要解決兩個(gè)基本問題:
              一是石墨烯的制備技術(shù),即在合理價(jià)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(yuǎn)達(dá)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(gè)問題得到有效解決,石墨烯價(jià)值才能在商業(yè)上實(shí)現(xiàn)。
              二、石墨烯分散需要解決基本問題
              石墨烯分散的挑戰(zhàn)性首先源于對(duì)石墨烯深度分散的必然要求,將石墨烯分散到單片或初級(jí)粒子狀態(tài);
              源于石墨烯對(duì)通過化學(xué)改性實(shí)現(xiàn)分散這一手段的低容忍性甚觸性;化學(xué)改性,勢(shì)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;
              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(qiáng)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;
              源于石墨烯的π-π結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的范德華力,使石墨烯極易團(tuán)聚,而且團(tuán)聚體難以再分開;
              還源于石墨烯*的長(zhǎng)徑比和比表面積;
              石墨烯的分散還面臨著實(shí)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(dòng)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(jiǎn)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)分散劑對(duì)石墨烯在樹脂中的分散效果進(jìn)一步表征可發(fā)現(xiàn)石墨烯在樹脂中分散效果良好,無團(tuán)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(hù)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(hù)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(shí)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(bào)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(jì)也不會(huì)以純粹的粉體狀存在,因?yàn)闆]有經(jīng)過穩(wěn)定化處理的石墨烯有可能重新團(tuán)聚成石墨(片)。所以,目前的研究重點(diǎn)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(qiáng),但是一般會(huì)導(dǎo)致共軛片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷,相比較而言,非共價(jià)鍵修飾的官能團(tuán)是一個(gè)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)。
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