石墨烯为什么难以分散？如何解决？

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。石墨烯为什么难以分散？如何使石墨烯与其他材料相容？

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。石墨烯为什么难以分散？这是由于其特殊的结构所决定的，具体原因如下：

1、片状结构

石墨烯为典型的片状结构，尤其是化学气相沉积法生产的石墨烯厚度又很薄，在复合过程中很容易造成片状结构的褶皱，严重的甚至变程团状，破坏了片状结构的特性，达不到应有的改性效果。尤其是采用CVD方法生产的石墨烯薄膜，片状结构特性更强。

2、分子间力

单层石墨烯层间的范德华力很大，外来物质和外来力很难打开，因此难以分散在聚合物中，要采用各种方法降低分子间的范德华力。主要方法为增加石墨烯层数，单层石墨烯的尺寸还不到1纳米，比表面积太大了很容易聚集，一般尺寸般达到10层（5纳米）以上后范德华力会减弱一些，外来物质材可以打开，添加到复合材料中才可以分散。但是层数要达到10层以上，就已经成为石墨烯片了，很多改性作用发挥不出来。

氧化还原反应生产的石墨烯因采用强氧化剂氧化，在石墨烯层之间产生了氧化基团，降低了分子间力，与其他方法石墨烯相对而言其分散可能行性大大提高。

3、相容性问题

石墨烯材料分子结构上官能团成分很少，纯净石墨烯与聚合物的相容性不好。

通过前面的分析可以清晰的看出，目前制约石墨烯应用的最大瓶颈为分散性，为例提高其在聚合物中的分散性，常采用如下方法：

01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。

02表面处理

石墨烯为碳元素六元环构成的稳定化合物，呈现出化学惰性，但是氧化还原法石墨烯在片状的边缘引入了亲水基团，可以进行表面功能化改性。

（1）表面接枝处理  ：

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。

例如石墨烯悬浮液与异氰酸酯在氮气存在下反应24小时，异氰酸酯可以与氧化还原反应石墨烯片层的边缘羟基或者羧基反应，生成酰胺或者氨基甲酸酯。再如，将氧化石墨烯在丁胺和甲苯的存在下，三-氨丙基三乙氧基硅烷与石墨烯上的羟基反应，可以生成硅氧键，进行功能化改性的石墨烯可以分散在水、乙醇、DMF、DMSO、APTS中。

（2）表面等离子体处理： 采用四氟化碳等离子体进行处理。

（3）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)、木质素磺酸钠（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。

（4）表面硅烷偶联剂处理： 如用硅烷KH-560处理。

03添加相容剂

添加马来酸酐等功能官能团介质聚合物材料，可以有效提高与树脂的相容性。具体举例如下：

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%。

04原位处理技术

（1）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剂的石墨烯会在微米剂粉末上进行反应，最好包覆在粉末上面，并且不会团聚。例如深圳本征方程石墨烯有限公司在容易聚合物中对金属铜、镍、氧化亚铜等您先包覆处理，包覆铜可以达到银的导电效果，包覆氧化亚铜可以大大提高其抗菌效果。

（2）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。

（作者：深圳市高分子行业协会，王文广教授级高级工程师）