自從2004 年英國的兩位科學家發現了“改變21 世紀的神奇材料”——石墨烯（Graphene）以來，就引起了全球科學界的濃厚興趣。發達國家把石墨烯列為一項影響國家未來核心競爭力的技術。自2010 年開始，美、英、日、韓、歐盟等國家和地區陸續投入巨資發展石墨烯科技項目，并制定了5～10 a 的發展規劃，上升為科學技術的國家戰略。圍繞石墨烯的工業化制備以及在各科技領域的應用問題，國內外科技人員進行了卓有成效的探索和創新，取得了令人矚目的成就。
 

石墨烯
 

    2011 年4 月美國IBM 公司展示了其通過石墨烯試制成功的當時世界上運行速度最快、體積最小的新型石墨烯晶體管，該產品每秒能執行1 550 億個循環操作，意味著石墨烯芯片的商業化應用成為了可能。

    日本富士通研究所、英國曼徹斯特大學也在新型石墨烯晶體管的研發方面展示了各自的科研成果。

    諾基亞研發的關于采用石墨烯層打造攝像頭傳感器的專利于2013 年6 月獲得了美國專利和商標局的授權。

    西班牙Graphenano 公司與西班牙科爾瓦多大學合作研發出首例石墨烯聚合材料電池，使汽車一次充電只需8 min，并可行駛1 000 km，可謂是石墨烯產品實現工業化應用的里程碑。

    我國對石墨烯的研發基本與國外同步，發展較快，部分研究已處于世界頂尖行列。

    江南石墨烯研究院在常州研制成功了國內首創的全球首款手機用石墨烯電容觸摸屏。

    浙江大學高分子系高超教授的課題組制備出了一種由碳納米管和石墨烯共同作為支撐的超輕全碳氣凝膠——它刷新了目前世界上最輕材料的紀錄。

    中國科學技術大學吳恒安教授、王奉超博士與因石墨烯而獲諾貝爾物理學獎的英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授領導的團隊組合作，制備出具有“快速精密篩選離子”的性能的氧化石墨烯薄膜，有望實現海水的迅速淡化與凈化。

    此外，我國石墨烯的標準化工作也走在了世界的最前面。2014 年1 月1 日起開始實施的Q/LM 01CGS001—2013《石墨烯材料的名詞術語與定義》，已成為國際上首個明確給出石墨烯關鍵名詞術語和定義的標準。

    石墨烯在涂料中的應用

    石墨烯材料在電子、光學、磁學、生物學、傳感器、儲能、催化等領域表現出了其獨特的功能和作用。其所具備的各種突出的物理、化學性質也引起了涂料領域技術專家、大學和科研院所對石墨烯材料在涂料中的應用這一課題的普遍關注，并由此開展了深入系統的研究工作。研究者認為：帶有大量含含氧基團的功能化石墨烯，它與樹脂、高分子材料的結合力強，及其適合作補強材料或功能化材料[2]。目前石墨烯的應用方式多數是將石墨烯作為功能性填料進行添加，由此帶來一個關鍵問題是如何解決石墨烯的分散穩定性難題，需要對石墨烯進行改性。劉琳[3]等的研究結果表明：經化學改性的石墨烯和氧化石墨烯的表面具有豐富的官能團（羥基、羧基、環氧基），可以在聚合物機體中實現納米級分散，從而有效地賦予和改善了聚合物的性能。石墨烯另一個應用方式是通過有機/無機復合的方法制備成石墨烯復合材料，實現石墨烯的穩定分散及其特種功能的發揮。

    用于制備防腐涂料

    研究者通過機械的方法將多層石墨烯轉移到金屬鎳的表面，然后采用電化學方法來觀察其緩蝕情況。結果表明：帶多層石墨烯涂層的鎳腐蝕速度比裸鎳的腐蝕速度慢20 倍，而帶4 層金屬石墨烯涂層的金屬鎳腐蝕速度比裸鎳要慢4 倍。石墨烯涂層相當薄，但是其防腐蝕作用至少與5 層傳統的有機涂料相當。基于這樣的實踐基礎，研究石墨烯對金屬腐蝕的保護作用成為了涂料領域技術研發的一個重要方向。

    王耀文[4]將石墨烯作為填料，填充到環氧樹脂涂料中，通過涂膜附著力測試、浸泡實驗測試、塔菲爾極化曲線測試等方法來探究了涂層的防腐性能。結果表明，石墨烯的加入有效提高了涂層的防腐性能。石墨烯良好的防腐性能主要來自于其優良的導電性、獨特的二維片層結構，以及其表面疏水等特性。

    沈海斌[5]等將石墨烯添加到導電涂料、防腐涂料、阻燃涂料等涂料體系后涂料的綜合性能大幅提高，如所需涂層厚度降低，涂層附著力、耐磨性增加，尤其是在導電涂料、環氧富鋅涂料（耐鹽霧可達2 500 h）、水性防腐涂料（耐鹽霧提升超過30%）中具有突出的性能表現。巨浩波[6]等采用溶液超聲法制備了石墨烯/硅丙乳液復合材料，測試分析結果表明，復合材料具有較低的滲濾閾值（約為0.5%，質量分數，下同）。石墨烯用量>0.9%時，復合材料的導電網絡結構已經基本構筑完善，體積電阻在經過9～11 個數量級的急劇下降后，基本穩定在103 Ω·cm 以下，導電性有了明顯提高；石墨烯用量為0.7%時，其在高分子基體中的分散狀態最好，與不加石墨烯的硅丙乳液涂膜相比，復合材料的拉伸強度提高了15.5%，斷裂伸長率下降了3.6%，耐水性提高了14%，失重5%時的熱分解溫度提高了43 ℃，防腐蝕性能也得到了極大提升。

    化學氧化還原法制備的石墨烯，其片層的邊緣仍然含有少量的未被還原的羥基、羧基，這使得石墨烯具有了一定的物理、化學活性，能賦予復合材料一些良好的性能，如分散性（氫鍵作用）、附著力等。同時還具有參與化學交聯、提高交聯密度、補強涂膜力學性能的作用。但石墨烯用量過多時，會產生自身團聚，破壞了其分散的均勻性、致密性，其電性能、機械性能（石墨烯發生團聚，涂膜內部產生應力集中）、防腐性能（導電網絡結構受損，形成點接觸或線接觸）反而下降。石墨烯本身具有憎水憎油性，其片層結構具有“迷宮”效應，可阻礙水、腐蝕性離子等向金屬基材的滲透，延緩金屬基材的腐蝕速度，進而對底材起到防腐的作用。

    用于制備導電涂料

    低于10 個碳原子層的石墨及其相關衍生物被定義為石墨烯[2]。在碳原子表面沉積、聚合某種物質進行改性，或在碳原子層間插入某種物質的改性方法，已取得了一些進展。賴奇[7]等為了增加石墨烯與聚合物之間的結合力，采用不同的插層劑對石墨烯進行表面改性，改性的結果一方面減少了石墨烯之間的再凝聚，另一方面提高了其在涂料體系中的分散穩定性。經二次插層獲得的石墨烯用十二烷基苯磺酸鈉、丙酮進行表面處理后，加入到丙烯酸涂料中，對涂層電阻檢測結果表明：石墨烯的加入降低了涂層電阻率，導電性得到了提高，具有制備導電涂料的應用前景。

    通過無機特種功能性填料與有機物或聚合物進行復合，制備具有某種特殊功能材料的方法常常為許多科研人員所采用。劉言[8]等將苯胺單體吸附在比表面積巨大的氧化石墨烯表面，制備了氧化石墨烯-聚苯胺復合材料。由于氧化石墨烯與水具有較強的親和力，使石墨烯-聚苯胺在水中也具有了較好的分散性。在苯胺的苯環上引入親水基團（如磺酸基、羧基等），與聚苯胺的胺基相互作用，形成自摻雜的聚苯胺，改善了聚苯胺的親水性，再通過乳化劑實現摻雜聚苯胺的乳液化。復合材料依靠氧化石墨烯的親水性直接改善了聚苯胺的親水性，同時不會改變聚苯胺的導電特性，使得其環保型應用成為了可能，可應用于制備水性導電涂料。

    用于制備無機涂料

    石墨烯改性無機涂料可以解決現有無機涂料在金屬表面附著力差的問題，無需對金屬表面噴砂處理或只需進行低表面處理，便可獲得良好的附著力效果。沈海斌[4]等的研究結果表明：不添加鉻而換成添加石墨烯，可有效提高達克羅涂料的防腐蝕性能及耐磨性，同時涂層的耐高溫性及加熱后的耐腐蝕性能也很好。這一思路在消除鉻重金屬污染方面具有突出的綠色環保價值。用于制備防污涂料

    于歡[9]以石墨烯/TiO2復合材料替代氯化亞銅毒性防污劑，考察了水性聚氨酯涂層的耐生物附著性、表面性能、力學性能和耐水性能，得到的海洋防污涂層性能良好。

    劉文超[10]以氧化石墨烯作為納米銀的載體，制備了氧化石墨烯/納米銀復合材料。抑菌圈試驗表明，復合材料具有很高的穩定性以及良好的抑菌性和明顯的殺菌效果，可用于制備在海洋防污涂料。

    用于制備抑菌涂料

    研究發現，在石墨烯表面，細菌的細胞無法生長，而對人類細胞卻不會施加不良影響，因此石墨烯可以用于制做繃帶、食品包裝甚至抗菌T 恤。蔣保江[11]采用原位化學還原方法制備了Ag/石墨烯復合體，并以大腸桿菌為受試菌株，測試了該材料的抑菌效果。實驗結果表明：Ag/石墨烯復合體對大腸桿菌具有優異的抑菌性能。利用石墨烯的抗菌性制備的抑菌涂料可應用在醫院、醫療器械、食品儲運、幼兒園、廚房、衛生間等需要防菌抑菌的場合。

    用于制備自修復涂料

    利用石墨烯的高硬度、高強度、高韌性、高透明性可制備用于汽車、家具、地板、文物等領域的保護涂料，并有望獲得具有抗劃傷以及輕微劃傷自修復功能的涂膜。

    石墨烯在多領域的應用研究方興未艾，如火如荼。國家對石墨烯產業的支持政策持續而有力，石墨烯入選《十三五新材料規劃》幾成定局。科學家預言，石墨烯及其制品（包含由其改性的材料）未來幾年有望在電子、航天、光學、儲能、生物醫藥、日常生活等大量領域獲得開創性的應用。石墨烯這一里程碑式的新材料會帶給我們怎樣的驚喜，值得期待。


 

責任編輯：班英飛

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