图1,分散剂HAPBI-3分子式及2mg/mL石墨烯分散液
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核壳型结构微球(图2a)。SPS@Graphene复合材料经热压处理,形成具有三维网格结构的复合材料(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(<0.047 vol%)和非常好的导电性(图2c),石墨烯的体积含量为4.51 vol%时,材料的电导率达到 104 S/m。当MWCNTs 的体积含量为 3.20 vol%时,由于其导电性更好,SPS@MWCNT复合材料的电导率可高达 391 S/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Cui J, Zhou S., Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6(3): 550-557. DOI:10.1039/c7tc04752e)。
图2,(a)SPS@graphene核壳结构微球及(b)热压成型后的断面SEM图,(c)复合材料电导率随填料体积含量的变化趋势,(d)MWCNT复合材料串联于电路中。
具有自交联反应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应活性,在复合材料中可以作为有效成分存在。当TSiPD与石墨烯(XF 001W)的质量比为1.2:1时,分散液的浓度高达10 mg/mL。将石墨烯分散液涂覆到基材表面,由于TSiPD分子含有高反应活性的硅羟基(-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具有良好的机械强度。此外由于没有额外的成膜物质加入,复合涂层中由于含有高浓度的石墨烯还具有很好的导电性(图4b)(详见Cui J, Zhou S., Chemistry of Materials, 2018, 30(15): 4935-4942. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00884)。
图3,以分散剂TSiPD制备的石墨烯分散液及其在玻璃基材表面形成的涂层(断面SEM及内部交联示意图)。
图4,(a)石墨烯复合涂层的铅笔硬度,(b)在PET基材表面构建的复合涂层及其导电性测试。
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,干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 复合织物的表面电阻分别降低到 38.4 Ω/sq 和 71.6 Ω/sq,具有非常好的导电性,同时还能表现出良好的拉伸响应性及电加热性能(详见Cui J, Zhou S., Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6(45): 12273-12282. DOI: 10.1039/c8tc04017f)。
由于高反应活性Si-OH的存在,石墨烯和 MWCNTs 在纤维表面结合的非常牢固,多次水洗后,复合织物表面形貌及电阻都没有发生明显变化。在水以及乙醇、二氯甲烷、 THF 和 DMF 等有机溶剂中超声处理也不会脱落,体现出良好的耐水洗及耐溶剂性(图6)。
图5,高耐久性导电复合织物示意图
图6,以不同分散剂制备的导电复合织物的耐溶剂性能比较
目前,该团队关于新型高效石墨烯分散剂的开发以及纳米碳复合材料的研究工作仍在不断进行,实验中用到的石墨烯产品由先丰纳米提供,如有最新成果会进一步报道。
来源:石墨烯资讯