功能化石墨烯的湿法球磨制备及其性能研究

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电子信息时代的快速发展,带动了新材料的发展,同时也对新材料提出了新的要求。“新材料之王”-石墨烯凭借其优异的光、电、热等特性备受关注和期待。但石墨烯极易团聚,难以在各类基质中均匀分散,因而需要对其改性。目前,石墨烯的制备与功能化改性往往分步进行,开发出具有经济、简便、可规模化制备优势的功能化石墨烯,对石墨烯应用价值的开发具有重要意义。因此,本文从天然鳞片石墨出发,围绕石墨烯的制备和功能改性展开研究,开发新策略,改善石墨烯易团聚问题。其主要研究内容如下:以浓硫酸为球磨助剂,对天然鳞片石墨进行湿法球磨。浓硫酸在石墨的剥离过程中起到氧化、插层的作用。该策略可以制备出石墨烯,并改善石墨烯在水及部分极性有机溶剂中的分散性。由于石墨具有完整的π共轭结构,表现出优异的化学惰性,经过浓硫酸辅助剥离获得低氧化石墨烯,其含氧量、表观颜色等均与石墨相似,表明其氧化程度低,结构、性能保留完整。Diels-Alder反应具有反应条件温和及热可逆等特性,结合湿法球磨剥离的高效性,实现从石墨到功能化石墨烯的简便制备。所制备的功能化石墨烯(G-MA)在水和常见的极性溶剂中表现出优异的分散性。因此,在没有粘合剂及表面活性剂的情况下制备了G-MA涂层。在经过200℃,2h的热处理后,G-MA涂层的电导率由769 S·m-1提高至2000 S·m-1,表明被破坏的石墨烯共轭结构可以通过逆Diels-Alder反应恢复。该策略为石墨烯的可逆性修饰提供了一种新的方式,扩大了石墨烯在电学领域上的应用。最后,以G-MA为导电填料,制备出具有优异分散特性的G-MA复合导电油墨(G-MA-ink)。通过气动喷枪,实现复合导电油墨在玻璃、纸板和塑料薄膜上的均匀涂覆。通过扫描电子显微镜可以观察到复合导电涂层光滑的表面及致密的结构。此外,探究了热处理温度对复合导电涂层导电性能的影响。结果表明,经过300℃的热处理后,复合导电涂层的方阻值从室温的19 K?·squ-1降到70?·squ-1,导电性能得到了显著的提升。基于G-MA-ink优异的分散性、导电性,有望在塑料电镀、防腐、导热等相关领域发挥其优异特性。
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