自從2004 年英國(guó)的兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“改變21 世紀(jì)的神奇材料”——石墨烯（Graphene）以來(lái)，就引起了全球科學(xué)界的濃厚興趣。發(fā)達(dá)國(guó)家把石墨烯列為一項(xiàng)影響國(guó)家未來(lái)核心競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。自2010 年開(kāi)始，美、英、日、韓、歐盟等國(guó)家和地區(qū)陸續(xù)投入巨資發(fā)展石墨烯科技項(xiàng)目，并制定了5～10 a 的發(fā)展規(guī)劃，上升為科學(xué)技術(shù)的國(guó)家戰(zhàn)略。圍繞石墨烯的工業(yè)化制備以及在各科技領(lǐng)域的應(yīng)用問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科技人員進(jìn)行了卓有成效的探索和創(chuàng)新，取得了令人矚目的成就。
 

石墨烯
 

    2011 年4 月美國(guó)IBM 公司展示了其通過(guò)石墨烯試制成功的當(dāng)時(shí)世界上運(yùn)行速度最快、體積最小的新型石墨烯晶體管，該產(chǎn)品每秒能執(zhí)行1 550 億個(gè)循環(huán)操作，意味著石墨烯芯片的商業(yè)化應(yīng)用成為了可能。

    日本富士通研究所、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)也在新型石墨烯晶體管的研發(fā)方面展示了各自的科研成果。

    諾基亞研發(fā)的關(guān)于采用石墨烯層打造攝像頭傳感器的專利于2013 年6 月獲得了美國(guó)專利和商標(biāo)局的授權(quán)。

    西班牙Graphenano 公司與西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)出首例石墨烯聚合材料電池，使汽車一次充電只需8 min，并可行駛1 000 km，可謂是石墨烯產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的里程碑。

    我國(guó)對(duì)石墨烯的研發(fā)基本與國(guó)外同步，發(fā)展較快，部分研究已處于世界頂尖行列。

    江南石墨烯研究院在常州研制成功了國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的全球首款手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏。

    浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種由碳納米管和石墨烯共同作為支撐的超輕全碳?xì)饽z——它刷新了目前世界上最輕材料的紀(jì)錄。

    中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳恒安教授、王奉超博士與因石墨烯而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)組合作，制備出具有“快速精密篩選離子”的性能的氧化石墨烯薄膜，有望實(shí)現(xiàn)海水的迅速淡化與凈化。

    此外，我國(guó)石墨烯的標(biāo)準(zhǔn)化工作也走在了世界的最前面。2014 年1 月1 日起開(kāi)始實(shí)施的Q/LM 01CGS001—2013《石墨烯材料的名詞術(shù)語(yǔ)與定義》，已成為國(guó)際上首個(gè)明確給出石墨烯關(guān)鍵名詞術(shù)語(yǔ)和定義的標(biāo)準(zhǔn)。

    石墨烯在涂料中的應(yīng)用

    石墨烯材料在電子、光學(xué)、磁學(xué)、生物學(xué)、傳感器、儲(chǔ)能、催化等領(lǐng)域表現(xiàn)出了其獨(dú)特的功能和作用。其所具備的各種突出的物理、化學(xué)性質(zhì)也引起了涂料領(lǐng)域技術(shù)專家、大學(xué)和科研院所對(duì)石墨烯材料在涂料中的應(yīng)用這一課題的普遍關(guān)注，并由此開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究工作。研究者認(rèn)為：帶有大量含含氧基團(tuán)的功能化石墨烯，它與樹(shù)脂、高分子材料的結(jié)合力強(qiáng)，及其適合作補(bǔ)強(qiáng)材料或功能化材料[2]。目前石墨烯的應(yīng)用方式多數(shù)是將石墨烯作為功能性填料進(jìn)行添加，由此帶來(lái)一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何解決石墨烯的分散穩(wěn)定性難題，需要對(duì)石墨烯進(jìn)行改性。劉琳[3]等的研究結(jié)果表明：經(jīng)化學(xué)改性的石墨烯和氧化石墨烯的表面具有豐富的官能團(tuán)（羥基、羧基、環(huán)氧基），可以在聚合物機(jī)體中實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分散，從而有效地賦予和改善了聚合物的性能。石墨烯另一個(gè)應(yīng)用方式是通過(guò)有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合的方法制備成石墨烯復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)石墨烯的穩(wěn)定分散及其特種功能的發(fā)揮。

    用于制備防腐涂料

    研究者通過(guò)機(jī)械的方法將多層石墨烯轉(zhuǎn)移到金屬鎳的表面，然后采用電化學(xué)方法來(lái)觀察其緩蝕情況。結(jié)果表明：帶多層石墨烯涂層的鎳腐蝕速度比裸鎳的腐蝕速度慢20 倍，而帶4 層金屬石墨烯涂層的金屬鎳腐蝕速度比裸鎳要慢4 倍。石墨烯涂層相當(dāng)薄，但是其防腐蝕作用至少與5 層傳統(tǒng)的有機(jī)涂料相當(dāng)。基于這樣的實(shí)踐基礎(chǔ)，研究石墨烯對(duì)金屬腐蝕的保護(hù)作用成為了涂料領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要方向。

    王耀文[4]將石墨烯作為填料，填充到環(huán)氧樹(shù)脂涂料中，通過(guò)涂膜附著力測(cè)試、浸泡實(shí)驗(yàn)測(cè)試、塔菲爾極化曲線測(cè)試等方法來(lái)探究了涂層的防腐性能。結(jié)果表明，石墨烯的加入有效提高了涂層的防腐性能。石墨烯良好的防腐性能主要來(lái)自于其優(yōu)良的導(dǎo)電性、獨(dú)特的二維片層結(jié)構(gòu)，以及其表面疏水等特性。

    沈海斌[5]等將石墨烯添加到導(dǎo)電涂料、防腐涂料、阻燃涂料等涂料體系后涂料的綜合性能大幅提高，如所需涂層厚度降低，涂層附著力、耐磨性增加，尤其是在導(dǎo)電涂料、環(huán)氧富鋅涂料（耐鹽霧可達(dá)2 500 h）、水性防腐涂料（耐鹽霧提升超過(guò)30%）中具有突出的性能表現(xiàn)。巨浩波[6]等采用溶液超聲法制備了石墨烯/硅丙乳液復(fù)合材料，測(cè)試分析結(jié)果表明，復(fù)合材料具有較低的滲濾閾值（約為0.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。石墨烯用量>0.9%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本構(gòu)筑完善，體積電阻在經(jīng)過(guò)9～11 個(gè)數(shù)量級(jí)的急劇下降后，基本穩(wěn)定在103 Ω·cm 以下，導(dǎo)電性有了明顯提高；石墨烯用量為0.7%時(shí)，其在高分子基體中的分散狀態(tài)最好，與不加石墨烯的硅丙乳液涂膜相比，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了15.5%，斷裂伸長(zhǎng)率下降了3.6%，耐水性提高了14%，失重5%時(shí)的熱分解溫度提高了43 ℃，防腐蝕性能也得到了極大提升。

    化學(xué)氧化還原法制備的石墨烯，其片層的邊緣仍然含有少量的未被還原的羥基、羧基，這使得石墨烯具有了一定的物理、化學(xué)活性，能賦予復(fù)合材料一些良好的性能，如分散性（氫鍵作用）、附著力等。同時(shí)還具有參與化學(xué)交聯(lián)、提高交聯(lián)密度、補(bǔ)強(qiáng)涂膜力學(xué)性能的作用。但石墨烯用量過(guò)多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自身團(tuán)聚，破壞了其分散的均勻性、致密性，其電性能、機(jī)械性能（石墨烯發(fā)生團(tuán)聚，涂膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中）、防腐性能（導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受損，形成點(diǎn)接觸或線接觸）反而下降。石墨烯本身具有憎水憎油性，其片層結(jié)構(gòu)具有“迷宮”效應(yīng)，可阻礙水、腐蝕性離子等向金屬基材的滲透，延緩金屬基材的腐蝕速度，進(jìn)而對(duì)底材起到防腐的作用。

    用于制備導(dǎo)電涂料

    低于10 個(gè)碳原子層的石墨及其相關(guān)衍生物被定義為石墨烯[2]。在碳原子表面沉積、聚合某種物質(zhì)進(jìn)行改性，或在碳原子層間插入某種物質(zhì)的改性方法，已取得了一些進(jìn)展。賴奇[7]等為了增加石墨烯與聚合物之間的結(jié)合力，采用不同的插層劑對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性，改性的結(jié)果一方面減少了石墨烯之間的再凝聚，另一方面提高了其在涂料體系中的分散穩(wěn)定性。經(jīng)二次插層獲得的石墨烯用十二烷基苯磺酸鈉、丙酮進(jìn)行表面處理后，加入到丙烯酸涂料中，對(duì)涂層電阻檢測(cè)結(jié)果表明：石墨烯的加入降低了涂層電阻率，導(dǎo)電性得到了提高，具有制備導(dǎo)電涂料的應(yīng)用前景。

    通過(guò)無(wú)機(jī)特種功能性填料與有機(jī)物或聚合物進(jìn)行復(fù)合，制備具有某種特殊功能材料的方法常常為許多科研人員所采用。劉言[8]等將苯胺單體吸附在比表面積巨大的氧化石墨烯表面，制備了氧化石墨烯-聚苯胺復(fù)合材料。由于氧化石墨烯與水具有較強(qiáng)的親和力，使石墨烯-聚苯胺在水中也具有了較好的分散性。在苯胺的苯環(huán)上引入親水基團(tuán)（如磺酸基、羧基等），與聚苯胺的胺基相互作用，形成自摻雜的聚苯胺，改善了聚苯胺的親水性，再通過(guò)乳化劑實(shí)現(xiàn)摻雜聚苯胺的乳液化。復(fù)合材料依靠氧化石墨烯的親水性直接改善了聚苯胺的親水性，同時(shí)不會(huì)改變聚苯胺的導(dǎo)電特性，使得其環(huán)保型應(yīng)用成為了可能，可應(yīng)用于制備水性導(dǎo)電涂料。

    用于制備無(wú)機(jī)涂料

    石墨烯改性無(wú)機(jī)涂料可以解決現(xiàn)有無(wú)機(jī)涂料在金屬表面附著力差的問(wèn)題，無(wú)需對(duì)金屬表面噴砂處理或只需進(jìn)行低表面處理，便可獲得良好的附著力效果。沈海斌[4]等的研究結(jié)果表明：不添加鉻而換成添加石墨烯，可有效提高達(dá)克羅涂料的防腐蝕性能及耐磨性，同時(shí)涂層的耐高溫性及加熱后的耐腐蝕性能也很好。這一思路在消除鉻重金屬污染方面具有突出的綠色環(huán)保價(jià)值。用于制備防污涂料

    于歡[9]以石墨烯/TiO2復(fù)合材料替代氯化亞銅毒性防污劑，考察了水性聚氨酯涂層的耐生物附著性、表面性能、力學(xué)性能和耐水性能，得到的海洋防污涂層性能良好。

    劉文超[10]以氧化石墨烯作為納米銀的載體，制備了氧化石墨烯/納米銀復(fù)合材料。抑菌圈試驗(yàn)表明，復(fù)合材料具有很高的穩(wěn)定性以及良好的抑菌性和明顯的殺菌效果，可用于制備在海洋防污涂料。

    用于制備抑菌涂料

    研究發(fā)現(xiàn)，在石墨烯表面，細(xì)菌的細(xì)胞無(wú)法生長(zhǎng)，而對(duì)人類細(xì)胞卻不會(huì)施加不良影響，因此石墨烯可以用于制做繃帶、食品包裝甚至抗菌T 恤。蔣保江[11]采用原位化學(xué)還原方法制備了Ag/石墨烯復(fù)合體，并以大腸桿菌為受試菌株，測(cè)試了該材料的抑菌效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Ag/石墨烯復(fù)合體對(duì)大腸桿菌具有優(yōu)異的抑菌性能。利用石墨烯的抗菌性制備的抑菌涂料可應(yīng)用在醫(yī)院、醫(yī)療器械、食品儲(chǔ)運(yùn)、幼兒園、廚房、衛(wèi)生間等需要防菌抑菌的場(chǎng)合。

    用于制備自修復(fù)涂料

    利用石墨烯的高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高透明性可制備用于汽車、家具、地板、文物等領(lǐng)域的保護(hù)涂料，并有望獲得具有抗劃傷以及輕微劃傷自修復(fù)功能的涂膜。

    石墨烯在多領(lǐng)域的應(yīng)用研究方興未艾，如火如荼。國(guó)家對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)的支持政策持續(xù)而有力，石墨烯入選《十三五新材料規(guī)劃》幾成定局。科學(xué)家預(yù)言，石墨烯及其制品（包含由其改性的材料）未來(lái)幾年有望在電子、航天、光學(xué)、儲(chǔ)能、生物醫(yī)藥、日常生活等大量領(lǐng)域獲得開(kāi)創(chuàng)性的應(yīng)用。石墨烯這一里程碑式的新材料會(huì)帶給我們?cè)鯓拥捏@喜，值得期待。


 

責(zé)任編輯：班英飛

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