纳米石墨微片材料对复合材料热性能影响研究(2)

菜单

纳米石墨微片是片层厚度为纳米尺寸的石墨，一般采用机械或化学手段剥离石墨片层进得到，纳米石墨微片可以在纳米尺度和聚合物复合，由于纳米尺寸的特殊性能，纳米石墨微片的填充能显著提升聚合物的某些性能，提高石墨在复合材料中的有效含量，在保持材料力学性能和加工性能的前提之下，得到高性能的纳米石墨/聚合物复合材料。自从石墨烯被发现以来，由于它在许多方面的优异表现，收到科学界的普遍重视。当石墨烯微片的厚度降低到几纳米范围内时，就可以认为是纳米石墨微片，如何剥离石墨片层到纳米尺度以及如何发挥纳米石墨微片在各个领域中的作用，是科学界研究的热点。

纳米石墨微片是石墨烯的层状堆积体，碳层数在10层以内、厚度在5~100nm之间。石墨为平面型碳六元环共轭晶体结构，纳米石墨微片在剥离之后依然保持着这种结构，纳米石墨微片和普通石墨相比，其厚度为纳米尺度，但径向宽度却是微米尺度，一般能够达到数微米到数十微米，形状比(直径/厚度比)相当大。

1.1.1 纳米石墨微片的性能

纳米石墨微片厚度介于石墨和石墨烯之间，性能同样保留了石墨和石墨烯材料的诸多优点，因为其有着石墨的晶体结构，它保留住了石墨抗腐蚀、耐高温的特点，同时又有着非常好的导电以及导热性能。经过插层处理与高温处理制备而成的纳米石墨微片[1]，其晶格没有收到机械力和高温的破坏，依然保持着石墨多层结构，碳层与碳层之间依靠微弱的分子间作用力结合在一起，层内碳原子电子轨道为sp²杂化。纳米尺寸的厚度和微米尺寸的直径让纳米石墨微片的形状比大约为100~500，远远比石墨晶体高，因为纳米石墨微片具有非常大的形状比，使得它在被当做填料填充入聚合物中时，非常容易相互搭接形成空间网络的结构，由纳米石墨微片和聚合物复合而成的材料渗流阈值显著地比普通填料低，改善了以石墨粉体作为填料在制备复合材料上性能不足的问题，因此，纳米石墨微片在制备导电、导热、抗静电聚合物材料等领域有着非常大的研究和应用潜力。

1.1.2 纳米石墨微片的优点

石墨烯为理想的单原子层结构，虽然性能非常突出，但受制于目前的加工工艺，工业制备难度非常大，难以规模化生产。而相比较而言，纳米石墨微片的制备难度则小了很多，可以满足大部分现阶段工业对石墨烯资源的要求，从目前来看，很多研究中所提到的少数层石墨烯实际上都能认为是厚度级别接近单层石墨烯的纳米石墨微片，这种少数层的石墨烯在实际生产中是能大量制取和应用的，考虑到成本问题，纳米石墨微片是工业应用最理想的材料。

1.1.3 纳米石墨微片的制备方法

球磨法和超声法是目前两种主要的制备纳米石墨微片常用方法，这两种方法所用的原料都是膨胀石墨（EG），在机械手段作用下，使石墨片片层沿着晶面剥离，从而得到纳米石墨微片，下面对球磨法和超声法进行简要的介绍。

超声法：超声法[2]在液相剥离制备纳米石墨微片上的应用让工业生产中大规模地制备纳米石墨微片成为现实。超声法是由科尔曼团队发明的，他们利用超声波成功对碳纳米管进行了分散，首次在液相中用超声波法成功大量制备出了纳米石墨微片。他们首先将石墨粉均匀混合在有机溶剂（二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮）之中，然后进行超声处理并离心分离，制备出了石墨烯分散物。这种纳米石墨微片制备方法大幅降低了生产成本，为生产纳米石墨微片指引了新的研究方向。超声法最大的优点是制备方法简单、成本低，但制得的纳米石墨微片浓度很低（~0.01mg/mL），浓度远不能满足实际应用需要。研究人员在此基础上采用提高石墨浓度、增加超声时间、改变溶剂或者使用混合溶剂、添加表面活性剂和高分子聚合物等等一系列方法成功制备出了高浓度纳米石墨微片。超声法的制备具体条件可根据需要作相应调整，下面介绍西北工业大学理学院项目组制备纳米石墨微片的方法：将膨胀石墨放置在温度达950℃的马弗炉中，经快速膨胀15s，然后进行冷却操作，得到了蠕虫状外形的EG。然后再将适当量的EG加入乙醇水溶液（乙醇∶水＝7∶3，体积比）容器中，放在KQ-200VDB型超声波清洗器中连续超声处理8h，然后取出静置，待混合溶液完全沉淀后，容器底部的黑色固体沉淀就是我们所需的纳米石墨微片。随后将混合溶液真空抽滤，并用去离子水水洗，最后将滤饼置于烘箱中100℃下干燥即得到所需的纳米石墨微片[3]。