納米石墨烯復合材料的制備及應用研究進展

郝麗娜

（齊齊哈爾工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161005）

就目前的石墨烯復合材料制備而言，納米復合材料的制備是一種主要的發展趨勢。在當今各個領域之中，納米石墨烯復合材料都發揮出了十分明顯的優勢，且呈現出良好的發展前景。因此，納米石墨烯復合材料的制備及其應用也受到了越來越多人的重視。

1 納米石墨烯復合材料的制備

1.1 熔融共混法制備納米石墨烯復合材料

通過熔融共混法進行納米石墨烯復合材料的制備，其實就是借助于高溫作用以及高剪切作用，將石墨烯或者是氧化石墨烯在聚合物基體中分散。在應用該方法進行納米石墨烯復合材料的制備過程中，并不需要應用到任何的溶劑，所以在極性聚合物以及非極性聚合物之中都十分適用。研究發現，在PET（石墨烯/聚對苯二甲酸乙二醇酯）基體之中會以單片層或者是少片層形式均勻分布，其中存在的卷曲、皺褶則可以在基體之中呈現出網格形式，進而實現復合材料導電性的顯著提升。如果石墨烯在PET 基體之中的含量達到了3vol%，其復合材料最大的導電率可以達到2.11S/m，這與當今電磁屏蔽這一領域之中對于石墨烯復合材料的需求十分相符[1]。

通過這種制備方法，有專家學者對隔離型石墨烯-多壁納米管/超高分子量聚乙烯這種導電性極強的復合材料進行制備，這種材質的導電性能極高，可以達到1×10-2S/m，1.0wt%，且導電逾滲更低，僅達到0.039vot%。

1.2 溶液混合法制備納米石墨烯復合材料

通過溶液混合法進行納米石墨烯復合材料的制備，其實就是讓聚合物分子在溶劑的作用之下插入GO 片層，再借助還原方式來進行納米石墨烯復合材料的制備。在具體的制備過程中，一種常用的方法就是經超聲技術將GO 分散在水里或者是有機溶劑之中，然后將聚合物加入其中，借助于絮凝法或者是揮發法將溶劑去除。因為GO 的表面有含氧官能團存在，所以GO 可以更好地分散在有機溶劑之中，和聚合物的界面產生更好的相互作用。

在相關的研究過程中，有專家通將N-二甲基酰胺作為溶劑，制備FGONs（功能性的氧化石墨烯納米片層）/CE（氰酸酯）復合材料，并將FGONs 插入CE 基體之中來實現界面之間的有效結合，這就使得該納米復合材料具備了十分優異的耐摩擦能力和很強的力學性能。

同時，也有學者將FGONs 以及PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）加入到了THF（四氫呋喃）溶液之中，經過超聲分散以及真空干燥之后，得到了FGONs/PMMA 納米復合材料。

另外，也有學者將THF 以及三氯甲烷作為溶劑，進行了石墨烯/環氧樹脂納米復合材料的制備。通過研究可以發現，相比較THF 而言，三氯甲烷對于環氧樹脂之中的石墨烯分散有著更好的促進作用，所以通過這種方式制備出的石墨烯納米復合材料滲漏閾值也就會更低。

在對該種制備方式的研究過程中，還有學者利用該方法進行了FGONs/硅樹脂納米復合材料的制備，經研究發現，在FGONs 的含量達到0.5wt%的情況下，這種納米復合材料的拉伸性能、導熱性能及其熱穩定性能都實現了顯著提升。

1.3 原位聚合法制備納米石墨烯復合材料

通過原位聚合法制備納米石墨烯復合材料，其實就是將石墨烯或者是GO 和聚合物單位進行混合，然后再借助于引發劑所特有的引發作用，讓石墨烯片層之中的單體發生聚合，進而或得到石墨烯納米復合材料。這種方法和溶液混合法制備納米石墨烯復合材料的方法比較相似，在進行原位聚合的過程中，還原氧化石墨烯或者是GO 都比較容易從單體之中剝離出來，進而呈現出分子級別的分散現象。同時，因為聚合反應是一個放熱的過程，所以放熱所產生的膨脹作用將會讓GO 的片層間距發生擴張，這對于其從片層之中剝離出來提供了更加有利的條件。因此，通過原位聚合法進行納米石墨烯復合材料的制備，所得到的納米石墨烯復合材料將會有著更加均勻的分散性特征。

在對該方法進行 研究的過程中，有學者對GO/PS（聚苯乙烯）納米復合材料進行了制備，這種材料不僅有著極高的導電率，同時也有著極高的玻璃化轉變溫度，且該材料的熱穩定性也十分強大。在進行原位聚合的過程中，也可以將GO片層之中的含氧基團加以合理利用，通過反應，讓GO 和一部分基體樹脂之間形成比較牢固的共價鍵，進而制備出更高性能的納米石墨烯復合材料。

同時，也有學者利用該方法進行了rGO/PPy（聚吡咯）納米復合材料的制備，rGO 和PPy 之間形成了十分緊密的接觸，這樣就使得這種納米復合材料具備了多孔結構，進而使其獲得了高達108m2/g 的表面積，其電容特性和十分優良[2]。因此，這種材料在超級電容器的生產中得到了十分廣泛的應用。

另外，還有相關學者通過PP（聚丙烯）乳液的原位化學還原氧化石墨烯法來進行rGO/PP 納米復合材料的制備，得到的材料有著極低的滲透閾值，其滲透閾值僅為0.033vol%。

除了這些納米石墨烯復合材料的制備之外，該方法也可以用來進行CBT（環丁烯對苯二酸脂）的制備。通過這種方法的應用，可以讓石墨烯在聚合物基體之中實現均勻的分散，但是在將GO 或者是石墨烯加入到聚合物中，其黏度也會明顯增大，這樣就會進一步加大聚合反應的復雜程度。

2 納米石墨烯復合材料的應用

2.1 在電極材料之中的應用

納米石墨烯復合材料可以用作電極材料，憑借著對網絡結構的高度連通能力，這種材料可以讓離子的運輸速度得以顯著提升，進而呈現出高功率、高容量的特性。經過相關的研究發現，如果借助于水熱法把磷酸鐵鋰納米顆粒負載在納米石墨烯氣凝膠之上，石墨烯的網絡結構就會為其提供出足夠豐富的孔道，并顯著提升其電極和電解液之間的接觸面積，讓鋰離子的擴散路徑得以顯著縮減，為電解液的滲透提供出更大的便利[3]。

2.2 在環境吸附材料中的應用

因為納米石墨烯復合材料的結構孔道十分豐富，且因為不同制備方法存在差異性，所以其表面的缺陷也較多，這樣就可以使其更容易將有著不同功能的不同基團引入其中。因此，此類材料在當今的金屬離子吸附、油水分離以及染料分子的去除等諸多領域都有著十分廣泛的應用范圍。根據相關的研究發現，將表面活性劑以及冷凍干燥技術與納米石墨烯復合材料結合應用，用肥皂泡作為模板，可以將水體之中的油品有效地吸附出來，且能夠發揮出十分強大的吸附能力。也有研究發現，借助于二氧化碳的物理活性來進行氧化石墨烯復合材料的制備，可以得到一種孔體積極大的多孔石墨烯復合材料，其孔體積可以達到2.71cm3/g，這種材料對于水體之中的膽紅素有著極強的吸附能力，其吸附能力可以達到126mg/g。

3 結語

綜上，主要對納米石墨烯復合材料的制備及其應用進行分析。通過分析可知，熔融共混法、溶液混合法以及原位聚合法都可以實現納米石墨烯復合材料的有效制備，且獲得的納米石墨烯聚合材料在電極材料、環境吸附材料等諸多領域之中都有著十分廣闊的應用范圍和十分光明的應用前景。社會經濟的發展與科學技術的發展可謂相輔相成，因此，相信隨著社會經濟與科學技術的不斷發展，納米石墨烯復合材料的研究將會獲得更大的突破，進而使這種新型的納米復合型材料在未來的各個領域之中發揮出更大的應用價值。