为什么石墨烯难稳定分散？

2004年，曼彻斯特大学两位科学家通过对石墨材料使用胶带粘贴剥离的方法制得单层的石墨烯材料，这项发现改变了传统观点中二维晶体材料不可能长期稳定存在的论断。石墨烯具有优异的力学、电学、磁学、热学及光学等性能，其本身结构为正六边形碳环在平面内无限拓展延伸构成，碳原子sp2杂化形成的六边形碳环在平面方向具有稳定的力学性能以及电学性能，石墨烯的强度可达钢材强度的 100倍，硬度可与金刚石媲美。石墨烯表面电子迁移率可达2×10五次方cm²/（V·S），远高于金属铜的导电性，这些优异的性能使得石墨烯成为继1991年碳纳米管发现之后更具前景的碳材料。

基于石墨烯的诸多优点，其可以用来对其他材料进行改进，通过掺加石墨烯而构成的复合材料，其力学及电学性能在很多研究中都得到了极大改善，但是石墨烯二维材料的厚度只有几个纳米，具有纳米材料颗粒之间高强的吸附性能，故很难被完全分散开，且由于纯碳材料所固有的疏水性，使得石墨烯不能够充分分散在其他材料中，这极大地限制了材料性能的发挥，因此如何将其分散成为石墨烯应用的一个瓶颈。

目前石墨烯的各类合成技术都已经成熟，关键是石墨烯材料难以在其他基体中分散，是制约其大规模应用的难点。没有大规模应用，石墨烯就没有发展的动力。为响应国家环保的号召，这里主要介绍石墨烯在水性体系中的应用及分散。

不同制备方法水分散性

机械剥离法

石墨烯有很多种制备方法，且各种方法的原理截然不同，制得的石墨烯的分散性能也存在着差异。机械剥离法是最初制得石墨烯的方法，该种方法对结构本身的破坏最小，制得的石墨烯材料结构完整，缺陷少，但是石墨烯表面几乎没有亲水基团，因此使得材料的水分散性能很差。

膨胀法

该种方法原料多为膨胀石墨，膨胀石墨具有较为疏松的层间结构，通过超声或者高速剪切的方法，使分散用溶剂进入到膨胀石墨层与层之间，进而在超声作用以及分散剂的静电斥力下，使得膨胀石墨克服层间的范德华力，从而使层与层分开，并最终获得单层或少层的石墨烯溶液。该方法所制成的石墨烯具有缺陷少的优点，且比较容易在水中稳定分散。

化学气相沉积法

化学气相沉积法，其原理为通过高温使碳原子和氢原子呈气态，然后再降低温度使气态的原子沉积下来，在金属上渐渐生长出石墨烯。此方法在碳纳米管的量产中曾得到广泛应用，该方法制得的石墨烯质量高，然而相比于在溶液中直接制得石墨烯分散液，其独特的制备方式使其水分散性较为逊色，因此 CVD法生产的石墨烯，如需要将其分散到溶液中使用时，就需要再次处理。

氧化还原法

氧化还原法制备石墨烯的原理为使用浓硫酸、浓硝酸或者其他氧化剂对石墨进行氧化处理，再配以超声处理以增加石墨片层之间的距离，从而分离出石墨烯片层，得到氧化石墨烯，最后通过还原剂将氧化石墨烯还原回来，就形成了还原氧化石墨烯。但是这种氧化作用不仅会较大程度上破坏石墨烯的结构，使碳环带上很多缺陷，而且还会使这些缺陷处带上很多-COOH、-OH 等亲水基团。该方法制得的石墨烯具有两面性，一方面由于氧化作用造成的缺陷，使得制得的石墨烯品质不高; 而另一方面缺陷处所附带的亲水基团如果在还原过程中未能充分还原，就会使该方法制得的石墨烯的水分散性要优于其他方法。这种制备方法比较容易实现量产，但是需要在权衡水分散性能和石墨烯品质后再进行选择。

目前为提高石墨烯在聚合物中的分散性，常采用以下方法：

1、混合添加 ：采用片状/球状材料复合混合利于分散，如石墨烯/硫酸钡、石墨烯/玻璃微珠等。

2、表面接枝处理：a、采用诸如异氰酸酯、硅烷偶联剂、有机胺、重氮盐等试剂可以实现石墨烯的表面功能化。对单层石墨烯进行功能团接枝改性，这样可以大幅度降低分子间的范德华力，不仅让单层分散变的很容易，还可以提高与聚合物之间的相容性，可以制成分散均匀的石墨烯聚合物复合材料。b、表面等离子体处理：采用四氟化碳等离子体进行处理。c、表面活性剂处理： 如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS)、木质素磺酸（SLS）、聚乙烯醇（PVA）、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺等。d、表面硅烷偶联剂处理： 如用硅烷KH-560处理。

3、添加相容剂：添加马来酸酐等功能*能官**团介质聚合物材料，可以有效提高与树脂的相容性。例如： 将苯基异氰酸酯功能化的石墨烯1%加入到PS中，然后用二甲肼进行还原，复合材料的电导率达到0.1S/cm。 将石墨烯先制成母料，在PC中加入3%就可以达到渗逾值，电导率达到1.2×10-4S/cm。而直接加入石墨烯微片，渗逾值高达9%。

4、原位处理技术：a、溶液包覆 对于采用溶液法合成的石墨烯，在合成过程中和最终产品都是溶液。可以采用原位聚合物的方法先将待包覆粉末加入反应釜，在反应过程中尺寸纳米及的石墨烯会在微米及粉末上进行反应，最好包覆在粉末上面，并且不会团聚。b、原位聚合物 在原位溶液法聚合物石墨烯的同时，将聚合物单体如PMMA、尼龙6等和引发剂一起加入，同时进行聚合反应。

下边重点介绍第二种方法，介绍分散剂类型对石墨烯水分散性的影响。

分散剂类型对石墨烯水分散性有哪些影响？

1、离子型表面活性剂对石墨烯分散性的影响

表面活性剂大体可分为离子型与非离子型，且离子型表面活性剂最为常见。例如：阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠( SDBS） 在溶液中可以使石墨烯具有良好的分散性，但是阴离子表面活性剂在电解质溶液中有不稳定的缺点；对比多种离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂在酸性溶液与碱性溶液中的分散性能，结果表明，非离子型表面活性剂对溶液酸碱性并不是很敏感，如 Brij700的分散效果几乎没有变化，并且在分散剂掺量较高的情况下区别更小。相反，离子型表面活性剂表现出了对酸性较为敏感的特性，很多在碱性溶液中分散效果良好的分散剂，在酸性环境中几乎没有分散效果，其典型代表有 1芘丁酸、脱氧胆酸钠、SDBS 等，在实际由石墨烯制备复合材料时，分散剂的选取与溶液的酸碱性关系很大。

2、非离子型表面活性剂对石墨烯分散性的影响

PVP是一种高分子聚合物，也是一种非离子表面活性剂，PVP作为石墨烯的分散液具有非常好的效果，当PVP溶液为 10mg/ mL时，可分散石墨烯的浓度达到最大。该种分散剂可吸附于石墨烯表面，形成覆盖层，从而阻止石墨烯之间发生接触团聚；该种分散剂对石墨烯在有机溶剂如 DMF、NMP、乙醇中的分散效果，结果表明，PVP在高温约 100℃以及低 pH约为 2的条件下仍可使石墨烯溶液保持稳定，相比于其他表面活性剂来说该活性剂具有很明显的优势，相对分子质量越小的 PVP所具有分散效果越好

展望

有关石墨烯水分散方法的研究，目前已经有了一定进展，每种方法都有各自的优缺点，没有缺陷的石墨烯很难实现在水中的分散，而当通过一定方法，如增稠剂、分散剂等，都会或多或少引入一些缺陷或其他*能官**团。另外，分散剂吸附在石墨烯表面也会影响到其工作性能的发挥，比如降低其原有的导电性能等。制备高浓度的石墨烯溶液还很困难，希望随着研究的不断深入这些问题能够得到很好的解决。