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解锁氧化石墨烯的“三大绝技”
2018年11月05日    阅读量:1248    新闻来源:中国科学报  |  投稿

 除了复合纤维之外,氧化石墨烯液晶可以纺丝,这一属性对于研究石墨烯的专家来说可谓打开了材料制造的新通路。


氧化石墨烯要做成最终应用需要打通“料、材、器、用”这几个关节


石墨烯因其近乎“完美”的单层碳原子蜂窝状二维晶体结构而被誉为“新材料之王”,不过,带有含氧官能团的氧化石墨烯可就没那么幸运了。拿浙江大学特聘教授高超的话来说,氧化石墨烯“背负着不少恶名”中国涂料在线coatingol.com。因何得“恶名”?“千疮百孔”(充满孔洞)的身体及其工业工艺造成的严重环境污染等均难辞其咎。


但如果只看到氧化石墨烯的“缺陷”,那就很有可能与这种具有重要性能及应用场景的新材料失之交臂。高超用“身怀绝技万千变”“一笑而长天下安”这样的诗句形容氧化石墨烯的优点,前者是指氧化石墨烯因易变的结构具有塑造各种性能的潜力而广受研究者青睐,后者则表明其在应用的时候,实际上已经由上游的氧化石墨烯变成了石墨烯,“所以它把恶名都背着呢,而那些好名声都留给了石墨烯”。


那么,氧化石墨烯到底能变化出哪些“绝技”?在10月25日召开的北京石墨烯论坛上,科学家如数家珍般将氧化石墨烯的最新研究成果进行了分享。


具有大规模制备优势


氧化石墨烯是石墨烯的氧化物。因氧化后,其含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼。氧化石墨烯可经由各种材料或分子与含氧官能团的反应而改善本身性质,它可视为一种非传统形态的软性材料,具有聚合物、胶体、薄膜以及两性分子的特性。


高超将氧化石墨烯最大的优势归结为两点:它是一个可以溶解、便于加工或组装的材料;可以进行大量制备。


如何制备氧化石墨烯?高超介绍道,通俗而言就是通过氧化反应让银色的石墨变成了金色的氧化石墨,在此基础上通过水洗超声便得到了单层的氧化石墨烯。


中国科学技术大学化学与材料科学学院教授朱彦武从事石墨烯应用技术研究长达十年,其所在的研究团队主要进行石墨烯的制备研究。他表示,氧化石墨烯之所以引起较大关注,很重要的一个方面是氧化石墨可以使用液相处理法。


“液相处理法使得研究主体可以在化工产线上或生产设备中去处理氧化石墨,进而得到最终的石墨烯产品。所以,大规模的制备就比较容易进行。”朱彦武说。


事实上,经过氧化处理后,氧化石墨仍保持石墨的层状结构,但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团。这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂。


朱彦武表示,虽然早在60年前科学家已经观察到了氧化石墨烯,但如何控制含氧官能团的种类、分布、位置、浓度等目前依然是氧化石墨烯领域存在的问题。


在高超的表述中,这些问题被称为所谓的“缺陷”。


“由于它的缺陷多,可以进行调控的地方也多,包括组成、结构、界面都可以进行调控,变化非常丰富。”高超表示。


高超介绍了氧化石墨烯“缺陷修复”的过程:利用氧化石墨烯分子在溶液里形成的液晶达到液向有序;然后通过组装或纺丝,达到固向有序。“在这期间,它的分子可以进行调控,结构也可以进行调控,最终希望通过还原或高温修复的办法把缺陷进行修复。


创生多功能复合纤维


氧化石墨烯是一种原材料,要做成最终应用需要打通“料、材、器、用”这几个关节。高超解释道,“料”就是把它组装起来,“器”就是能够把它做成一些器件,而“用”则特别体现在储能、催化等方面的应用。


但是,实际应用过程没有理论上那么简单。不过,高超近期针对氧化石墨烯的应用范畴思考出了一张路线图,这一路线图由“伴生”“共生”“创生”三个阶段组成。


“所谓伴生,就是发挥一些功能添加作用,将石墨烯添加到原有的部分基材里形成应用,比如说复合纤维、防火涂料、散热等。它起到一个功能辅助的作用。”高超进一步解释道,而共生则起到功能主体的作用,比如说一个纯粹的散热膜、电池的电级、打印电路、污水处理设备、传感器、电热器等,“大概在2019年会有一些产品陆陆续续做出来”。


高超表示,创生则希望有一些颠覆性的应用,其标志为性能颠覆。


“第一个阶段首先是要把原料做出来。”高超说,在经过过去10年的探索后,这条路基本上被打通了,氧化石墨烯原料已经可以进行商品化供应,大规模制备今年就可以实现试生产。


“原料有了,接着就是它的应用。”高超所在团队将氧化石墨烯用于制备多功能石墨烯复合纤维。


“就是把氧化石墨烯和一些传统的化纤进行结合,我们采用的技术是原位聚合。”高超解释道。比如将其与尼龙单体、己内酰胺或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)的单体进行原位聚合。


“我们攻克了聚合、分散、纺丝三大核心技术,已经实现了中试。这个纤维可以向顶级纤维迈进,做成各种各样的制品,也可以和棉毛、绒等进行复合。”高超自豪地说,“这个领域特别大,如果做得好可以促进我国从纤维大国走向纤维强国。”


多功能石墨烯复合纤维主要有抗紫外、远红外发射、抗菌益菌、防螨虫等性能。


“这些已经过了国家机构的检测。”高超说。


打开材料制造的新通路


除了复合纤维之外,氧化石墨烯液晶可以纺丝,这一属性对于研究石墨烯的专家来说可谓打开了材料制造的新通路。


高超认为,通过一定的制备方式,氧化石墨烯可以形成一种结构功能一体化的纤维,结构强度可以很高,同时具有导电、导热等功能。


朱彦武表示,氧化石墨得到的石墨烯有一个非常重要的应用,就是将它作为导电添加剂。“我们在很多的论文和研究里,都已经证实它确实可以很有效地提升其所添加体系的导电性能。比如说在电池里面可以增加它的倍率性能,无论是负极还是正极,都可以很好地提升材料的性能。”


“这些功能是原来的纤维所不具备的,这样,它就有可能把强度力学性能和材料功能完美地结合在一起,这是现有的材料包括碳纤维都不具备的,当然要达到这个目标,路还很长。”高超说。


高超表示,事实上,这一想法在8年甚至10年前就已经提出来了,最新的研究通过牵伸、高温还原的办法使这种纤维材料的性能、功能都得到了一定程度的提升。但他同时表示,“我们也在向工程化应用推进,这条路还很漫长,需要一定的时间、长期的坚持以及大量的投入。”


“过去10年来,我们把纤维的力学性能提高了20倍,电学性能提高了两个数量级,从这个趋势上看,应该说它还是有前景的。”高超说。


不过,即使单纯考虑通过氧化石墨烯延伸石墨烯的性能,氧化石墨烯带来的惊喜也不可小觑。朱彦武举例道,石墨烯作为添加剂具有大量的使用实例,以涂层材料为例,如果用1%的氧化石墨烯替代50%的锌粉,就会发现,重防腐涂料减少锌粉使用量的同时还可以提升防腐性能。

标签:原材料石墨烯涂业商道技术中心
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