石墨烯/環氧樹脂復合材料的研究進展

汪 毅，曾黎明

（武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

石墨烯/環氧樹脂復合材料的研究進展

汪 毅，曾黎明

（武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

簡要介紹了石墨烯的制備方法及石墨烯常用的表面處理方法。對石墨烯增強環氧樹脂復合材料的熱學性能、電學性能、力學性能進行了綜述，最后對石墨烯/環氧樹脂復合材料的發展方向進行了展望。

石墨烯；環氧樹脂；制備方法；表面改性；性能

石墨烯（Graphene）是一種單原子層石墨晶體薄膜[1]，是由SP2雜化的平面碳原子構成的二維蜂窩周期點陣結構，它同時也是構筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨的基本結構單元。由于石墨烯具有獨特的綜合性能[2]，常被作為納米填料來制備各種各樣的聚合物基復合材料。環氧樹脂（Epoxy）具有粘接力強、電絕緣性能好等特性，但其導電性和導熱性較差以及交聯固化后的樣品呈脆性[3]，因此，常將石墨烯用作環氧樹脂的增強填料，從而得到綜合性能優異的環氧樹脂基復合材料。

1 石墨烯制備方法

早在1940年就有理論指出石墨烯是石墨的組成單元，但自由態的二維晶體結構一直被認為其熱力學性能是不穩定的，很容易受到外界條件變化而破壞。直到2004年，英國曼切斯特大學Novoselov等人用透明膠帶對高定向石墨上進行反復的粘貼和撕揭得到了少量的單層石墨烯，同時也推翻了二維晶體無法真實存在的論點。隨著石墨烯的制備方法不斷的演變，相繼出現了液相剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法、氧化石墨烯還原法，各種制備方法的性能對比見表1。從表1可知，前4種方法雖然都能制備出高質量的石墨烯，但均產量低、可加工性差，嚴重制約了石墨烯在許多領域的應用。目前使用最廣泛，也是最有希望實現大規模工業化的制備石墨烯的方法是利用氧化石墨烯為前驅體，通過熱還原或者化學還原，將氧化石墨烯表面的含氧基團除去。這種方法雖然不能得到性能優異的石墨烯，但是能在很大程度上恢復石墨烯的本征性能。同時，氧化石墨烯還原法的原料豐富，設備及操作過程簡單，制備出的石墨烯的可加工性好，因此備受關注。

表1 石墨烯制備方法比較Tab.1 The comparison of common methods for preparation of graphene

2 石墨烯表面改性

石墨烯作為單層碳原子構成的二維材料，其中碳原子在層中以六元環的形式存在，石墨烯片層之間的強烈π-π相互作用使其在溶液中很容易發生聚集和團聚，因此對石墨烯進行功能化修飾和改性，提高石墨烯在基體中的分散性是它走向產業化應用的重要前提條件之一。

2.1 共價鍵功能化

共價鍵功能化通過控制有機官能團與石墨烯形成穩定的共價鍵而賦予其許多優異的性質，同時也能提高石墨烯在聚合物基質中的相容性。然而石墨烯的官能化會在共軛的石墨烯片層結構中形成缺陷位點和內應力，使其本征性能（固有電導率和熱導率）受到不同程度的影響。通常將石墨烯通過簡單地氧化讓其表面及邊緣上帶有大量的羧基、羥基和環氧基等活性基團，再將這些官能團作為反應位點，從而在片層石墨烯上引入各種分子達到石墨烯的共價修飾。石墨烯的共價功能化通常有2種方法[10]，一種是將石墨烯作為起始反應點來聚合成高分子長鏈，稱為“graft from”法；另一種是通過簡單的化學反應來耦合石墨烯和聚合物，稱為“graft to”法，如圖1所示。原子轉移自由基聚合反應因具有自由基聚合快引發，相對分子質量可控，反應條件溫和等優點，常被應用于“graft from”聚合反應中。然而此方法常常會受限，由于接枝聚合物的性質和聚合方法僅適用于丙烯酸酯類聚合物以及原子轉移自由基聚合反應。相比而言，“graft to”方法允許更多種類的聚合物與石墨烯發生共價鍵結合。YADAV等[11]通過4-對氨基苯乙醇與石墨烯微片間的重氮化和偶聯反應來制備功能化石墨烯，然后原位合成聚氨酯復合材料，其熱穩定性、模量和形變回復性能均有大幅度提升。Wang等[12]利用聚乙烯醇改性rGO，并利用溶劑壓鑄方法制備聚（偏二氟乙烯）復合材料，結果表明功能化的rGO能防止原始rGO的團聚以及改善填料與基質的界面結合，并且能有效地提高聚（偏二氟乙烯）復合材料的介電常數。Wang等[13]使用回流的方法使八氨基苯基多面體低聚倍半硅氧烷（oap-POSS）修飾氧化石墨烯，改性后的氧化石墨烯能有效地提高環氧樹脂復合材料的熱穩定性和阻燃性能。

圖1 石墨烯共價改性示意圖Fig.1 Schematic diagrams of graphene functionalization by covalent bonding

2.2 非共價鍵功能化

非共價鍵功能化通過修飾分子與石墨烯的π-π相互作用、氫鍵作用、范德華力而結合在一起，通常這類分子含有較大的芳香環或較強的共軛體系，能夠與大π共軛結構的石墨烯發生較強的相互吸引而被吸附到石墨烯片層上從而得到穩定的膠體分散系統。引入目標官能團來提高石墨烯分散性能，同時對其結構破壞程度相對微弱，因而能較完整的保持石墨烯的固有性能。稠環芳烴及其衍生物由于含有大π鍵而被廣泛用于石墨烯的官能化，其中芘及其衍生物是一類常用于非共價修飾碳石墨烯的共軛結構的分子。利用它與石墨烯間的π-π相互作用，Teng等[14]用原子轉移自由基聚合讓1-芘甲醇帶上了功能化的聚甲基丙烯酸甲酯（Py-PGMA）鏈段，然后與石墨烯發生非共價作用得到改性的石墨烯微片（Py-PGMA-GNS）。結果表明改性后石墨烯表面的（Py-PGMA）鏈段末端官能團能與環氧基質形成共價鍵來提高交聯密度，同時由于位阻效應使得石墨烯能均勻地分散在環氧樹脂中。改性后的石墨烯增強環氧樹脂體系的熱導率升幅明顯大于MWCNT或石墨烯單獨混入環氧體系。Song等[15]用1-芘丁酸（PBA）作為石墨烯微片非共價修飾劑，得到了能在不同溶劑中穩定的分散液，同時共價官能化對石墨烯本征物理化學性能的保留，使得環氧樹脂復合材料的導熱性能大幅度提升。Das等[16]則研究了苯并菲的衍生物對多層石墨烯的非共價改性，以及作為增強填料來制備聚乙烯醇復合材料。結果表明，改性后的石墨烯能在水中穩定的分散，并能有效地改善相應復合材料的機械性能和電學性能。

2.3 其他石墨烯表面功能化

石墨烯具有較大的比表面積和獨特的三維褶皺結構使其能夠負載不同的納米粒子。Pu等[17]用原硅酸乙酯作為納米二氧化硅的前驅物，通過溶膠凝膠法在硅烷偶聯劑處理過的石墨烯表面原位水解來包覆上二氧化硅納米粒子，制備的環氧復合材料在保持電絕緣性能前提下提高了材料的導熱性能。Wan等[18]則是通過兩親性非離子表面活性劑對熱剝離的石墨烯進行簡易的表面處理，來改善石墨烯在環氧基體的相容性和潤濕性，進而提高環氧復合材料的綜合性能。通過往二維石墨烯中加入一維的納米填料也是有效分散石墨烯的方式，由于一維的納米結構對石墨烯產生的橋接作用，使得片狀石墨烯能穩定地均勻分散。同時2種不同填料的協同作用以及結構上的互補，不僅可以豐富二者原有的本征特性，而且可以產生協同效應并賦予其新的功能[19,20]。

3 石墨烯增強環氧樹脂復合材料的性能

純的環氧樹脂脆性過大，耐沖擊性能和導電導熱性能較差，不能滿足特殊極端條件下的使用要求。石墨烯作為碳族材料，具有高導電性、高導熱性、高硬度和強度等物理化學性質，常被作為納米填料復配到環氧樹脂基體中，從而提高環氧基復合材料的熱性能、電性能以及力學性能。

3.1 熱學性能

環氧樹脂熱導率較低、線脹系數較大且熱穩定性較差，將石墨烯填充到環氧樹脂中能有效改善上述缺點。Wang等[21]用雙中心混合分散機將石墨烯微片混入到環氧基體中，提供了一種快速便捷制備分散良好的環氧樹脂復合材料的方法。研究結果表明，即使加入極少量的石墨烯，也能有效提高復合材料的熱導率；當石墨烯填充量為8%（質量分數），復合材料的熱導率可提高6.27倍。Guo等[22]研究了用球磨的方式將石墨烯微片均勻分散在基體中，發現石墨烯的加入能有效提高環氧樹脂的熱導率，最佳球磨分散時間為24 h。Lu等[23]讓氧化石墨烯接枝上熱致性液晶環氧分子，制備了環氧樹脂基復合材料，并對其熱穩定性、機械性能進行了探討。研究結果表明，當改性氧化石墨烯的質量分數為5%時，復合材料的起始分解溫度（T5%）提高了47 ℃，玻璃化轉變溫度（Tg） 也有明顯的提升。Wan等[24]則通過雙酚A縮水甘油醚（DGEBA）接枝改性氧化石墨烯對環氧樹脂進行復配，在低的填充量（0.50%質量分數）環氧復合材料的起始分解溫度（T5%）提高了30℃左右， T也有一定程度增加。Liu等[25]研究了石墨烯微片對環氧樹脂形態學、熱穩定性、阻燃性能的影響。研究表明，石墨烯會促使環氧樹脂在高溫下產生殘留碳，從而形成相互作用和連續的殘留碳網絡來保護燃燒過程中環氧基質，提高了環氧復合材料熱穩定性和阻燃性能。

3.2 電學性能

石墨烯具有優異的導電性、電磁性能和低的逾滲值，因而能有效改善環氧樹脂的電學性能。Tang等[26]用原位還原自組裝的方法合成了三維石墨烯氣凝膠，并通過真空輔助浸漬法制備石墨烯/環氧復合材料。相應的復合材料綜合性能（電導率、抗壓性能）有了明顯的提升，并且其電導率提高了約13個數量級（0.21%體積填充量）。Li等[27]將表面長有碳納米管的石墨烯微片分散到環氧基質中，石墨烯-碳納米管混雜填料增強環氧樹脂的原位電阻緩緩增加到峰值，然后在伴隨著殘余應力和永久形變的影響下開始減小，這一特性可用于新型的原位傳感器來監測不可逆的永久形變的發生。Liang等[28]對溶液法制備的石墨烯/環氧樹脂復合材料進行了電磁干擾屏蔽效應的研究，當石墨烯的體積分數僅為0.52%時，復合材料就達到了逾滲點；當石墨烯的質量分數為15%，可制得21dB的有效電磁干擾屏蔽復合材料。Zaman等[29]制備了化學共價修飾石墨烯/環氧樹脂復合材料，其逾滲值可低至0.244%（體積分數），同時石墨烯的加入可使環氧樹脂的電導率提高6個數量級。

3.3 力學性能

石墨烯具有極高的拉伸強度和拉伸模量，適當添加可顯著提高環氧樹脂的力學性能，并且克服了普通無機填料摻量大改性效率低等缺點[30]。Rafiee等[31]研究發現在極低的石墨烯填充量（質量分數0.1%）時，石墨烯對環氧樹脂的彈性模量、拉伸強度、斷裂韌性、斷裂能等機械性能的提升要優于相同質量分數的碳納米管，同時可使環氧復合材料的彈性模量和拉伸強度（相對純環氧樹脂）分別提高了31%和40%。Wan等[32]通過氧化石墨烯的表面硅烷化來提高氧化石墨烯在環氧基質中的匹配性，研究表明：當官能化的氧化石墨烯的質量分數為0.25%時，復合材料的拉伸模量和拉伸強度分別提高了10%和48%，且在填充范圍內改性的氧化石墨烯增強環氧樹脂復合材料機械性能的效果要優于原始的氧化石墨烯/環氧樹脂復合材料。Naebe等[33]研究了表面共價改性對石墨烯/環氧樹脂復合材料機械性能的影響，當功能化石墨烯質量分數為0.1%，復合材料的彎曲強度和貯能模量分別提高了22%和18%。Wajid等[34]制備了分散性良好的石墨烯/環氧樹脂復合材料，當石墨烯的體積分數為0.46%時，復合材料的強度、模量分別提高了38%、37%。另外，石墨烯可以提高環氧樹脂的阻燃性能[35]。Qian等[36]研究了包含剝離的石墨烯的助燃劑混雜填料對環氧樹脂助燃性的影響，當混雜填料的質量分數為5%時，環氧樹脂復合材料能達到一個很高的阻燃等級。

4 結語

石墨烯由于其獨特的結構和性能，在改善環氧樹脂熱學性能、電學性能、力學性能方面具有較大的應用潛力。石墨烯/環氧樹脂復合材料是石墨烯產業化應用的一個重要途徑。然而將石墨烯大規模應用于環氧樹脂中還需加大研發力度：1）進一步研究工藝簡便、產率較高的石墨烯的制備方法，為石墨烯工業化生產奠定基礎；2）探索和改進石墨烯表面改性的方法，找到簡單有效的方法將石墨烯均勻分散到環氧基質中，同時提高石墨烯在環氧樹脂中的相容性；3）加強石墨烯/環氧樹脂復合材料各種性能理論模型的研究，為生產應用提供理論依據。

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Research progress of graphene reinforced epoxy composites

WANG Yi,ZENG Li-ming
(School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan,Hubei 430070,China)

The preparation processes of graphene were briefly introduced and its surface modification methods were also overviewed.The effects of graphene on the thermal properties, electrical properties and mechanical properties of the epoxy composites were mainly summarized.Finally, the outlook of future development on the graphene/epoxy composites was discussed.

graphene;epoxy resin;preparation;surface modification;properties

TQ433.4+37

A

1001-5922（2015）04-0087-05

2014- 08- 18

汪毅（1990～），男，碩士研究生，主要從事石墨烯環氧樹脂復合材料的性能研究。E- mail：wangyi2@ nimte.ac.cn。