中國粉體網(wǎng)訊 除了復合纖維之外，氧化石墨烯液晶可以紡絲，這一屬性對于研究石墨烯的專家來說可謂打開了材料制造的新通路。
氧化石墨烯要做成最終應用需要打通“料、材、器、用”這幾個關(guān)節(jié)
石墨烯因其近乎“完美”的單層碳原子蜂窩狀二維晶體結(jié)構(gòu)而被譽為“新材料之王”，不過，帶有含氧官能團的氧化石墨烯可就沒那么幸運了。拿浙江大學特聘教授高超的話來說，氧化石墨烯“背負著不少惡名”。因何得“惡名”？“千瘡百孔”（充滿孔洞）的身體及其工業(yè)工藝造成的嚴重環(huán)境污染等均難辭其咎。
但如果只看到氧化石墨烯的“缺陷”，那就很有可能與這種具有重要性能及應用場景的新材料失之交臂。高超用“身懷絕技萬千變”“一笑而長天下安”這樣的詩句形容氧化石墨烯的優(yōu)點，前者是指氧化石墨烯因易變的結(jié)構(gòu)具有塑造各種性能的潛力而廣受研究者青睞，后者則表明其在應用的時候，實際上已經(jīng)由上游的氧化石墨烯變成了石墨烯，“所以它把惡名都背著呢，而那些好名聲都留給了石墨烯”。
那么，氧化石墨烯到底能變化出哪些“絕技”？在10月25日召開的北京石墨烯論壇上，科學家如數(shù)家珍般將氧化石墨烯的最新研究成果進行了分享。
具有大規(guī)模制備優(yōu)勢
氧化石墨烯是石墨烯的氧化物。因氧化后，其含氧官能團增多而使性質(zhì)較石墨烯更加活潑。氧化石墨烯可經(jīng)由各種材料或分子與含氧官能團的反應而改善本身性質(zhì)，它可視為一種非傳統(tǒng)形態(tài)的軟性材料，具有聚合物、膠體、薄膜以及兩性分子的特性。
高超將氧化石墨烯最大的優(yōu)勢歸結(jié)為兩點：它是一個可以溶解、便于加工或組裝的材料；可以進行大量制備。
如何制備氧化石墨烯？高超介紹道，通俗而言就是通過氧化反應讓銀色的石墨變成了金色的氧化石墨，在此基礎上通過水洗超聲便得到了單層的氧化石墨烯。
中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院教授朱彥武從事石墨烯應用技術(shù)研究長達十年，其所在的研究團隊主要進行石墨烯的制備研究。他表示，氧化石墨烯之所以引起較大關(guān)注，很重要的一個方面是氧化石墨可以使用液相處理法。
“液相處理法使得研究主體可以在化工產(chǎn)線上或生產(chǎn)設備中去處理氧化石墨，進而得到最終的石墨烯產(chǎn)品。所以，大規(guī)模的制備就比較容易進行�！敝鞆┪湔f。
事實上，經(jīng)過氧化處理后，氧化石墨仍保持石墨的層狀結(jié)構(gòu)，但在每一層的石墨烯單片上引入了許多氧基功能團。這些氧基功能團的引入使得單一的石墨烯結(jié)構(gòu)變得非常復雜。
朱彥武表示，雖然早在60年前科學家已經(jīng)觀察到了氧化石墨烯，但如何控制含氧官能團的種類、分布、位置、濃度等目前依然是氧化石墨烯領域存在的問題。
在高超的表述中，這些問題被稱為所謂的“缺陷”。
“由于它的缺陷多，可以進行調(diào)控的地方也多，包括組成、結(jié)構(gòu)、界面都可以進行調(diào)控，變化非常豐富�！备叱硎尽�
高超介紹了氧化石墨烯“缺陷修復”的過程：利用氧化石墨烯分子在溶液里形成的液晶達到液向有序；然后通過組裝或紡絲，達到固向有序。“在這期間，它的分子可以進行調(diào)控，結(jié)構(gòu)也可以進行調(diào)控，最終希望通過還原或高溫修復的辦法把缺陷進行修復。
創(chuàng)生多功能復合纖維
氧化石墨烯是一種原材料，要做成最終應用需要打通“料、材、器、用”這幾個關(guān)節(jié)。高超解釋道，“料”就是把它組裝起來，“器”就是能夠把它做成一些器件，而“用”則特別體現(xiàn)在儲能、催化等方面的應用。
但是，實際應用過程沒有理論上那么簡單。不過，高超近期針對氧化石墨烯的應用范疇思考出了一張路線圖，這一路線圖由“伴生”“共生”“創(chuàng)生”三個階段組成。
“所謂伴生，就是發(fā)揮一些功能添加作用，將石墨烯添加到原有的部分基材里形成應用，比如說復合纖維、防火涂料、散熱等。它起到一個功能輔助的作用�！备叱M一步解釋道，而共生則起到功能主體的作用，比如說一個純粹的散熱膜、電池的電級、打印電路、污水處理設備、傳感器、電熱器等，“大概在2019年會有一些產(chǎn)品陸陸續(xù)續(xù)做出來”。
高超表示，創(chuàng)生則希望有一些顛覆性的應用，其標志為性能顛覆。
“第一個階段首先是要把原料做出來�！备叱f，在經(jīng)過過去10年的探索后，這條路基本上被打通了，氧化石墨烯原料已經(jīng)可以進行商品化供應，大規(guī)模制備今年就可以實現(xiàn)試生產(chǎn)。
“原料有了，接著就是它的應用。”高超所在團隊將氧化石墨烯用于制備多功能石墨烯復合纖維。
“就是把氧化石墨烯和一些傳統(tǒng)的化纖進行結(jié)合，我們采用的技術(shù)是原位聚合�！备叱忉尩馈１热鐚⑵渑c尼龍單體、己內(nèi)酰胺或PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）的單體進行原位聚合。
“我們攻克了聚合、分散、紡絲三大核心技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了中試。這個纖維可以向頂級纖維邁進，做成各種各樣的制品，也可以和棉毛、絨等進行復合。”高超自豪地說，“這個領域特別大，如果做得好可以促進我國從纖維大國走向纖維強國�！�
多功能石墨烯復合纖維主要有抗紫外、遠紅外發(fā)射、抗菌益菌、防螨蟲等性能。
“這些已經(jīng)過了國家機構(gòu)的檢測�！备叱f。
打開材料制造的新通路
除了復合纖維之外，氧化石墨烯液晶可以紡絲，這一屬性對于研究石墨烯的專家來說可謂打開了材料制造的新通路。
高超認為，通過一定的制備方式，氧化石墨烯可以形成一種結(jié)構(gòu)功能一體化的纖維，結(jié)構(gòu)強度可以很高，同時具有導電、導熱等功能。
朱彥武表示，氧化石墨得到的石墨烯有一個非常重要的應用，就是將它作為導電添加劑�！拔覀冊诤芏嗟恼撐暮脱芯坷�，都已經(jīng)證實它確實可以很有效地提升其所添加體系的導電性能。比如說在電池里面可以增加它的倍率性能，無論是負極還是正極，都可以很好地提升材料的性能�！�
“這些功能是原來的纖維所不具備的，這樣，它就有可能把強度力學性能和材料功能完美地結(jié)合在一起，這是現(xiàn)有的材料包括碳纖維都不具備的，當然要達到這個目標，路還很長。”高超說。
高超表示，事實上，這一想法在8年甚至10年前就已經(jīng)提出來了，最新的研究通過牽伸、高溫還原的辦法使這種纖維材料的性能、功能都得到了一定程度的提升。但他同時表示，“我們也在向工程化應用推進，這條路還很漫長，需要一定的時間、長期的堅持以及大量的投入�！�
“過去10年來，我們把纖維的力學性能提高了20倍，電學性能提高了兩個數(shù)量級，從這個趨勢上看，應該說它還是有前景的。”高超說。
不過，即使單純考慮通過氧化石墨烯延伸石墨烯的性能，氧化石墨烯帶來的驚喜也不可小覷。朱彥武舉例道，石墨烯作為添加劑具有大量的使用實例，以涂層材料為例，如果用1%的氧化石墨烯替代50%的鋅粉，就會發(fā)現(xiàn)，重防腐涂料減少鋅粉使用量的同時還可以提升防腐性能。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青禾）
