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        【原創(chuàng)】石墨烯膜復(fù)合材料,變 變 變!


        來源:中國粉體網(wǎng)   青黎

        [導(dǎo)讀]  不同的制備方法以及摻雜金屬或其氧化物、聚合物等手段可以有效實現(xiàn)石墨烯基柔性薄膜材料的功能化應(yīng)用。石墨烯基薄膜不僅具有石墨烯的電學(xué)、熱學(xué)性能,而且還具有金屬、聚合物的特性,其微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直接影響其功能特征。

        中國粉體網(wǎng)訊  近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在相變儲能材料方面取得新進展。他們以聚合物石墨烯為原料合成了具有優(yōu)異柔韌性的復(fù)合石墨烯膜,并與相變材料復(fù)合,得到柔性的復(fù)合相變材料膜。該材料具有高相變材料負載量,表現(xiàn)出優(yōu)異的儲熱能力,還具有出色的光-熱轉(zhuǎn)化能力,表現(xiàn)出可用于人體可穿戴光-熱管理領(lǐng)域的潛力,為可穿戴智能織物的開發(fā)提供了新方向。


        無獨有偶,新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院制備出一種石墨烯加熱膜片,將柔性膜嵌入沖鋒衣中,通過控制器控制單個膜片和多個膜片的工作狀態(tài)及升溫速率,得到了可用的電加熱服裝。


        石墨烯作為一種新型功能材料,具有良好的導(dǎo)電性(約6000S /cm) 、導(dǎo)熱性(單層石墨烯膜導(dǎo)熱系數(shù)為(4.84±0.44)×103~( 5.30±0.48)×103 W/( m·K))、高比表面積以及優(yōu)越的力學(xué)性能及柔韌性。石墨烯及其納米結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于:(1) 顯示電極的導(dǎo)電薄膜; (2) 電子電路和傳感器,包括微型超級電容器、超聲波傳感器等;(3) 海水淡化、分離膜;(4)基因篩選;(5) 能量儲存等。


        (圖片來源:網(wǎng)絡(luò))


        單純的石墨烯薄膜由于存在π-π鍵和范德華力,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)易發(fā)生不可逆的團聚、堆疊,需要對其進行修飾、摻雜來增加可利用的表面積。故引入了金屬、聚合物修飾石墨烯基薄膜使其在傳感器、電容器、屏蔽膜等不同的領(lǐng)域得以應(yīng)用,并賦予其新的功能。


        1、石墨烯無摻雜薄膜


        通常情況下,無摻雜的石墨烯薄膜采用氧化還原法制備。Huang 等采用輥涂法以及超高溫熱處理的方式獲得具有韌性的 rGO 薄膜,制膜及熱處理方式如圖所示。


        (圖片來源:武思蕊等:石墨烯基柔性薄膜復(fù)合材料及其功能化的研究進展  )


        石墨烯除了可用作導(dǎo)熱薄膜,還可利用光學(xué)原理制備聲壓傳感器薄膜。該光纖傳感器可抗電磁干擾,耐腐蝕,耐高溫,在惡劣環(huán)境下也可使用。但單純的石墨烯薄膜易破裂,當檢測的壓力較大時,會發(fā)生脆斷。


        在實際應(yīng)用中,石墨烯薄膜在結(jié)構(gòu)上依然存在很多缺陷,載流子的遷移率普遍不高,且表面電阻大于理論值,即使是通過 CVD 制備出的石墨烯薄膜,其效果也不理想,而通過氧化還原法制備的石墨烯薄膜電阻偏大。


        2、對石墨烯薄膜進行金屬或其氧化物修飾


        通過在石墨烯薄膜中加入金屬或其氧化物,對其進行表面功能化修飾,可用于氣敏傳感器、電磁干擾屏蔽膜、導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)熱薄膜、鋰離子電池負極材料等。首先,由于石墨烯薄膜具有高的比表面積,易吸附氣體分子,引起電阻值變化,因此常用于氣敏傳感器。其次,由于石墨烯是納米級的,根據(jù)理論推導(dǎo),可以吸收2.3%的白光,該特性賦予其在吸波材料方面有著巨大的應(yīng)用潛力。


        優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能是石墨烯基薄膜最重要的性質(zhì)。在導(dǎo)電方面,石墨烯基薄膜成為導(dǎo)電薄膜的替代品。其中,由于以氧化銦錫( ITO) 為代表的柔性透明導(dǎo)電薄膜(主要用于太陽能電池、顯示器、觸控面板等) 易碎,而金屬柵格與石墨烯薄膜的結(jié)合不僅具有柔韌性,還能展現(xiàn)出較好的光電性能,因此石墨烯薄膜可以填補金屬柵格中較大空區(qū),使表面電阻大大減小。


        除此之外,石墨烯薄膜的三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)金屬集流體,為電極的電子提供快速擴散的通道。


        3、對石墨烯進行聚合物復(fù)合


        石墨烯與不同聚合物復(fù)合可制備不同用途的復(fù)合薄膜。聚合物按照分子主鏈元素結(jié)構(gòu)可分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物。


        3.1石墨烯與碳鏈聚合物、雜鏈聚合物聚合


        將三維石墨烯多孔材料( 3D-rGO) 破碎重組后與碳鏈聚合物聚丙烯酸彈性基底( PAA) 進行復(fù)合,使復(fù)合材料具有拉、壓雙重壓阻效應(yīng),可拉伸 100% ,且在宏觀上從三維轉(zhuǎn)化為二維,具有更優(yōu)異的彈性、貼合性。但實際上PAA 的引入并沒有改變其三維結(jié)構(gòu),只是有效避免了石墨烯片層之間堆疊、團聚現(xiàn)象。由于石墨烯片的破碎重組是不確定的,其制備過程操作難度較高,且內(nèi)部有可能發(fā)生二次堆疊,故不宜大規(guī)模生產(chǎn)。


        將雜鏈聚合物 PI 與石墨烯復(fù)合,加入類石墨烯結(jié)構(gòu)的二硫化鉬( MoS2 ) 來彌補石墨烯零帶隙的不足,再通過光還原法在 MoS2 表面還原納米金顆粒( AuNPs) ,最后將乙酰膽堿酶( AchE) 固定在復(fù)合材料上,能增加薄膜穩(wěn)定性、兼容性和分子活性,制得的柔性薄膜復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻。也可以將石墨烯同時與碳鏈聚合物、雜鏈聚合物聚合。比如碳鏈聚合物聚苯乙烯磺酸鈉和雜鏈聚合物 3,4-乙烯二氧噻吩混合后再與 rGO 共混,制備出的復(fù)合薄膜電導(dǎo)率顯著增加,并且由于聚合物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)重排,聚苯乙烯磺酸鈉之間形成強非共價協(xié)同作用,使其電學(xué)性能得到加強,穩(wěn)定性也得到提高。該復(fù)合薄膜成本低、柔韌性好、無毒,適合于癌細胞生物傳感器。


        3.2石墨烯與元素有機聚合物聚合


        元素有機聚合物聚二甲基硅氧烷( PDMS) 包裹三維石墨烯泡沫( GF) 制備的復(fù)合薄膜韌性好,可多次彎曲或拉伸而不斷,能夠有效地從機械變形和振動耦合的動態(tài)信號中檢測出靜態(tài)信號,可用于柔性聲壓傳感器。此外 GF/PDMS 復(fù)合薄膜還可用作應(yīng)變傳感器。


        3.3石墨烯與其他類型有機聚合物聚合


        GO 與納米纖維( CNF) 共混后用氫碘酸還原制得 rGO/CNF 超薄柔性復(fù)合膜。引入了具有生物相溶性、親水性、彈性,且能均勻分布在GO 中的納米纖維,使制備出的復(fù)合材料具有較好的電磁干擾屏蔽性和熱導(dǎo)率各向異性。常用于輕型屏蔽材料( 屏蔽電磁微波、熱) 、便攜式電子設(shè)備和可穿戴設(shè)備。


        石墨烯還可與導(dǎo)電聚合物復(fù)合?赏ㄟ^原位聚合法將聚吡咯( PPy) 與 rGO 結(jié)合,再以 PET 為基底,構(gòu)建薄膜氣敏傳感器。


        石墨烯基復(fù)合薄膜性能優(yōu)異,不僅可用于導(dǎo)電薄膜、電磁屏蔽薄膜、電極材料,還可用在生物醫(yī)學(xué)方面。


        小結(jié):


        不同的制備方法以及摻雜金屬或其氧化物、聚合物等手段可以有效實現(xiàn)石墨烯基柔性薄膜材料的功能化應(yīng)用。石墨烯基薄膜不僅具有石墨烯的電學(xué)、熱學(xué)性能,而且還具有金屬、聚合物的特性,其微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直接影響其功能特征。


        參考文獻:

        武思蕊等:石墨烯基柔性薄膜復(fù)合材料及其功能化的研究進展

        中國科學(xué)報:合成柔性相變儲能材料膜-中科院大連化學(xué)物理研究所

        許冰等:基于石墨烯加熱膜片的自動控溫運動服


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎)


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        作者:青黎

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