石墨烯高效分散解决方案-新型石墨烯分散剂

由于石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成的平面共轭构造，其片层间存在格外强的π-π作用活性剂〔SDBS、CTAB、Triton-X、Tween80〕、高分子稳定剂〔PVP、PSS、PDDA〕等都可以对石墨烯起到肯定的分散稳定作用，但往往存在分散剂用量大、石墨烯浓开发型、高效、低本钱的分散剂是实现石墨烯规模化应用亟待解决的重要问题。基于此，复旦大学材料科学系、教育部先进涂料工程争论中心周树学教授团队开展了系列争论工作，究成果做简要介绍。多氨基阳离子型苝酰亚胺类石墨烯分散剂以一种常用的染料中间体——苝-3,4,9,10-四羧酸二酐〔PTCDA〕为原料经与系列多乙烯多胺在甲苯中回流反响甲酸酸化处理得到此类石墨烯分散剂该分散剂具有在较低用量下实现石墨烯高浓度分散的特点。争论觉察，PTCDA与三乙烯四胺的反响产物HAPBI-3〔图1〕对石墨烯具有最正确的分散性能HAPBI-3用量仅为石墨烯粉〔XF001W〕质量的1/3，就能得到浓度到达2mg/mL的分散液分散液zata电位值为+28.5mV，能够长时间稳定存在该分散剂对石墨烯的导电性影响很小与市售商品分散剂相比具有明显的优〔详见Cui J, Zhou S., Journal of Nanoparticle Research,2023, 19(11): 357. DOI:10.1007/s11051-017-4047-8〕。图1HAPBI-32mg/mL利用HAPBI-3的阳离子特性，将制备的石墨烯与碳纳米管分散液分别与带负电荷的磺化聚苯乙烯〔SPS〕微球混合，得到了均匀包覆的SPS@Graphene与SPS@MWCNT核壳型构造微球〔图2a〕。SPS@Graphene复合材料经热压处理，形成具有三维网格构造的复合材料〔图2b〕。由于HAPBI-3具有用量少、对石墨烯导电性影响小等特点，制备的SPS@Graphene复合材料还具有超低的渗流阈值〔<0.047vol%〕和格外好的导电性〔图2c〕，4.51vol%时，材料的电导率到达104S/m。当MWCNTs的体积含量为3.20vol%时，由于其导电性更好，SPS@MWCNT复合材料的电导率可高达391S/m，将其串联在9V的电路中，还可将小灯泡〔3.8V，0.3A〕点亮〔图2d〕〔详见CuiJ,ZhouS.,JournalofMaterialsChemistryC,2023,6(3):550-557.DOI:10.1039/c7tc04752e〕。具有自交联反响功能的石墨烯分散剂以对苯二胺和带有环氧基团的硅烷偶联剂〔KH-560〕为原料，在甲醇中回流，进一步在酸性条件下水解得到TSiPD〔图3〕分散剂。这种分散剂的最大特点是具有高反响活性，在复合材料中可以作为有效成分存在。当TSiPD与石墨烯〔XF001W〕的质量比为1.2:1时，分散液的浓度高达10mg/mL。将石墨烯分散液涂覆到基材外表，由于TSiPD分子含有高反响活性的硅羟基〔-Si-OH〕，分子间能够脱水缩合形成Si-O-Si键，从而可以自发交联形成高强度复合涂层。经不同溶剂浸泡、铅笔硬度测试〔图4a〕证明石墨烯复合涂层墨烯还具有很好的导电性〔4b〕〔CuiJ,ZhouS.,ChemistryofMaterials,2023,30(15):4935-4942.DOI:10.1021/acs.chemmater.8b00884〕。将纯棉织物在上述含有TSiPD的石墨烯及碳纳米管分散液中分别连续浸涂，枯燥后可以得到高耐久性的纳米碳/棉导电复合织物〔图5〕。经过20次的浸涂处理，石墨烯和MWCNTs复合织物的外表电阻分别降低到38.4Ω/sq和71.6Ω/sq，具有格外好的导电性，同时还能表现出良好的拉伸响应性及电加热性能〔详见CuiJ,ZhouS.,JournalofMaterialsChemistryC,2023,6(45):12273-12282.DOI:10.1039/c8tc04017f〕。由于高反响活性Si-OHMWCNTs复合织物外表形貌及电阻都没有发生明显变化。在