關(guān)于三維石墨烯基多功能材料可控制備與性能的分析

高妮妮

（商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000）

碳在地球上存在的歷史悠久，與人們的日常生活直接相關(guān)，基于碳元素提取的石墨烯有特有的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)會(huì)從光學(xué)、熱學(xué)等角度體現(xiàn)出不同的性能。所以，根據(jù)石墨烯制作了多功能材料，并分析了材料的可控制備與性能。通過參數(shù)分析，給出了詳細(xì)的分析結(jié)果。三維石墨烯基多功能材料有多個(gè)分類，包括氣凝膠與其他高分子復(fù)合材料等，本文是以氣凝膠為切入點(diǎn)展開討論。

1 三維石墨烯基多功能材料的可控制備

對(duì)氣凝膠可控制備的分析共有2點(diǎn)，即可控制備的具體操作和對(duì)結(jié)構(gòu)表征的分析。

1.1 可控制備

完成這一材料的可控制備，采用的方法是制備出前驅(qū)體（LGO），石墨隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行，內(nèi)部含氧基團(tuán)的數(shù)量隨之增加，提升了前驅(qū)體的水溶性和化學(xué)性能的修飾性，避免因水溶性較低引起的內(nèi)部團(tuán)聚，便于觀察其在水溶液中的反應(yīng)。在前驅(qū)體內(nèi)，會(huì)在已經(jīng)形成的含氧基團(tuán)的基礎(chǔ)上加入輔助反應(yīng)的催化劑，待兩者反應(yīng)后，局部位置會(huì)形成輸水點(diǎn)，借由各輔助劑的作用，會(huì)在內(nèi)部形成多維結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)狀的形態(tài)存在。

具體工藝為：準(zhǔn)備前驅(qū)體水溶液與誘導(dǎo)劑，按照比例混合，制作出使用的溶液，隨后在混合溶液中加入緩沖劑，保證樣品濃度達(dá)到要求。溶液做成后，放置在冰浴的環(huán)境中，超聲30 min，待樣品內(nèi)部的組成全部分散均勻后，把溶液加入到特氟綸反應(yīng)釜內(nèi)，保持溫度值為120℃，且樣品密封，讓樣品充分反應(yīng)，時(shí)間為6 h。反應(yīng)中，誘導(dǎo)劑內(nèi)的氨基與溶液內(nèi)的含氧基團(tuán)互為反應(yīng)，在溶液內(nèi)形成局部輸水的區(qū)域，并在某些位置建立橋接。全部過程結(jié)束后，其會(huì)變?yōu)槿S氧化石墨烯水凝膠黑色彈性體。這一物質(zhì)內(nèi)，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成有3個(gè)階段：①LGO的部分位置堆積，出現(xiàn)體積較小的絮狀物體；②小絮狀物體不斷凝結(jié)，增加了絮狀物體的體積，逐步形成松散的結(jié)構(gòu)；③在內(nèi)部現(xiàn)有的片層單元內(nèi)，調(diào)整絮狀物的排列方式，讓其變得規(guī)則化，最后形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的彈性體。為了避免在低溫環(huán)境中出現(xiàn)材料的凍脹，需要去除誘導(dǎo)劑內(nèi)所有雜質(zhì)，待材料干燥前，先進(jìn)行24 h的透析，然后放到溫度為－80℃的冰箱內(nèi)，放置24 h，然后在真空環(huán)境下干燥，制備出氣凝膠。

1.2 結(jié)構(gòu)表征

對(duì)氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的描述中，會(huì)制作單層石墨烯片，用電子顯微鏡與衍射的方法觀察，查看表面的褶皺以及形成的衍射斑。而實(shí)驗(yàn)人員用上述工藝制作出氣凝膠，切片觀察后得到的結(jié)果為：從單層片上可以看到明顯的褶皺，也有六角衍射斑點(diǎn)，其厚度大約是0.8 mm。而用其他方式觀察后，也會(huì)得到相應(yīng)的特征點(diǎn)。

2 三維石墨烯基多功能材料的性能分析

對(duì)其性能的分析是根據(jù)可壓縮性、電學(xué)、熱性等方面進(jìn)行的，具體分析如下。

2.1 可壓縮性

對(duì)可壓縮性的闡述是利用壓縮與循環(huán)的測(cè)試，給出分析結(jié)果，壓縮使用的方法是單軸壓縮，循環(huán)是多周循環(huán)，借由這2點(diǎn)的分析可以發(fā)現(xiàn)，樣品在力的作用下應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等。測(cè)試的工具為力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，用特定的速度加載，當(dāng)壓力值達(dá)到95%后，樣品從立體變?yōu)楸∑?，壓力在結(jié)構(gòu)內(nèi)積存。當(dāng)壓力全部釋放后，樣品恢復(fù)為原樣，沒有任何損傷，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的特征是超彈性體特征，結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的特點(diǎn)。根據(jù)分析過程可以繪制應(yīng)力、應(yīng)變的變化曲線，根據(jù)各段曲線對(duì)應(yīng)的百分比，得出以下結(jié)論：①如果百分比低于20%，微觀結(jié)構(gòu)中，石墨烯片有微小的變形，結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定；②如果百分比在20%～65%，曲線的傾斜度增加，剛度逐漸弱化，應(yīng)力的作用突出，樣品有較大的形變，再恢復(fù)為平面，即剛度適當(dāng)降低，彈性模量隨之改變；③如果百分比在65%～95%，曲線的斜率進(jìn)一步增加，剛度與彈性也隨之增加，改變宏觀結(jié)構(gòu)。

2.2 電學(xué)特性

電學(xué)特性是材料的電導(dǎo)率，以及其具有的溫阻效應(yīng)。即對(duì)樣品加熱后，且溫度上升為1 000℃后，溶液表面九成的含氧基團(tuán)消失，石墨烯材料快速恢復(fù)，生成還原氧化石墨烯，其導(dǎo)電性也隨之增加。另石墨烯內(nèi)，多層之間間距的調(diào)整也縮短了電子傳輸勢(shì)壘的高度，保持其有良好的導(dǎo)電性，并實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電性的優(yōu)化。對(duì)其的細(xì)化分析是根據(jù)得到的數(shù)值、繪制電壓、電流曲線，并分析曲線變化，且實(shí)驗(yàn)人員繪制該曲線后，得出其符合歐姆定律的內(nèi)容，表示加熱還原后，GA可輸送電力，但因?yàn)槭┑倪€原取決于內(nèi)部π電子的移動(dòng)，所以，可通過計(jì)算電子的遷移率，調(diào)整還原的溫度。

2.3 熱性能

該材料的結(jié)構(gòu)內(nèi)有大量孔隙，且結(jié)構(gòu)不易被破壞，與其他材料比較后，因?yàn)槠渌牧蟽?nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，減少了物體內(nèi)烯的含量，導(dǎo)致材料熱穩(wěn)定性不足，耐火性有待提高，這一材料可有效解決這些問題，有良好的熱導(dǎo)性。其詳細(xì)分析為：用桿熱傳導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)試，加入多個(gè)參考桿，選擇真空的環(huán)境，加熱熱源，熱源加熱后，會(huì)在樣品的上方設(shè)置溫度邊界，隨著溫度的下移，形成溫度差，不同溫度的熱流分別穿過樣品，經(jīng)過參考桿后，流入冷源系統(tǒng)，形成整體的熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)。這個(gè)溫度場(chǎng)內(nèi)，可根據(jù)每個(gè)位置參考桿的數(shù)值，畫出溫度分布圖，最終分析整體的熱流變化，最后的結(jié)果為導(dǎo)熱系數(shù)具有可控性，材料內(nèi)部的密度決定導(dǎo)熱系數(shù)。

此外，氣凝膠材料也有吸附有機(jī)溶液的性能，包括酒精、硅油等，其結(jié)論為：因?yàn)槭饽z等系列材料有活躍的活性，可以吸收超過本身數(shù)倍的有機(jī)溶液，有良好的吸附性。

3 結(jié)束語

對(duì)三維石墨烯基多功能材料可控制備與性能的闡述是以氣凝膠為切入點(diǎn)，分析了可控制備的過程，以及樣品制備后的結(jié)構(gòu)特征，而對(duì)性能的分析是從可壓縮、熱能滲透、吸附性等方面進(jìn)行論述，為三維石墨烯基多功能材料的進(jìn)一步研發(fā)提供了思路。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉紅宇，杜西剛，潘炳力，等.聚乙烯亞胺交聯(lián)三維石墨烯制備與吸附性能［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，38（05）：96-100，9.

［2］徐麗，盛鵬，陳新，等.三維石墨烯納米球的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用［J］.無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2016，31（09）：976-980.