石墨烯在橡胶中的应用

石墨烯在橡胶中的应用
赵慧江河北西姆克科技股份有限公司河北省石家庄050000 摘要：石墨烯是一种强度较高的材料，将其制备合成高性能的聚合物在工业生产中具有较高的应用价值。

随着我国各项事业的综合发展，工业制造领域对材料的要求越来越高，橡胶材料作为广泛应用于工业企业的一种常见材料，提高橡胶材料的性能就显得尤为必要了。

石墨烯与橡胶进行复合材料制备，能够显著提高传统橡胶材料的性能，提高材料的功能化，是我国橡胶材料发展的主要方向。

关键词：石墨烯；橡胶；合成；应用
石墨烯作为纳米填料，其具比表面积更大和更强的作用力，优于传统材料的性能，将石墨烯用于提高传统橡胶材料的性能是当前我国工业生产的主要趋势。

目前，已知石墨烯的制备方法五花八门，本文就石墨烯的结构、合成方法、应用展望等进行探讨，旨在为石墨烯在我国工业生产中发挥最大价值提供一点理论帮助。

1石墨烯的结构
2004年，英国科学家首次通过胶带机械剥离高定向热解实验得到石墨烯后，这一物质迅速在世界范围内引起了广泛的关注。

石墨烯为一种新型的二维原子晶体，由通过杂交连接的单个原子碳原子层组成，整体上呈二维六方晶格结构分布，单层碳原子之间紧密排列，如图1所示。

图1石墨烯的结构
在首次制得石墨烯前，专家学者普遍认为石墨烯不会在任何的二维晶体结构中维持稳定性。

然而，研究表明石墨烯能够通过在表面上形成皱纹或通过吸附其他分子来维持稳定性。

严格的说，这是一种单层物质，对于双层以及多层石墨，由于其结构和性质与石墨有着明显的不同，因此有学者指出双层以及多层石墨在广义上来说也属于石墨烯的范围。

2石墨烯的合成方法
石墨烯的合成制备方法大致上可以分成自下而上、自上而下两种。

2.1自下而上方法
自下而上这种方法主要包括气相沉积法、碳纳米管转换法、化学转化法以及晶体外延生长法等。

其中，气相沉积法以及晶体外延生长法更多的是用来生产量少尺寸大、要求无缺陷的石墨烯，所以在一些基础的领域中应用较多，但是由于这种方法不能大量的进行石墨烯生产，因此当前我国工业领域对这种方法应用不多[1]。

2.2自上而下方法
自上而下主要是指使用石墨或石墨衍生物，诸如氧化后的石墨、膨胀石墨等，通过剥离实现石墨烯合成制备。

由于这种方法能够大量生产石墨烯，故可以用于需要大量聚合物的应用领域。

自上而下法又可以分为以下几种具体的方法：
2.2.1直接剥离石墨法
石墨烯最开始是微机械剥离产生的。

微机械剥离可以产生无缺陷的高质量石墨烯，但很难实现量化生产，所以它仅适用于一些基础的研究和电子应用。

此后，这种直接剥离石墨以获得单层以及多层石墨烯的方法就一直被保留下来并获得深入的发展。

2.2.2液相剥离法
将石墨分散在有机溶剂如聚乙烯吡咯烷酮或甲基吡咯烷酮中，并通过超声波剥离合成石墨烯。

该方法可以量化单层和多层石墨烯的生产，其可以在一定程度上在聚合物领域中进行应用。

另外还可以通过在水溶液中使用表面活性剂来辅助超声波合成石墨烯，从而减少有机溶剂的自然污染。

这种方法下最大的问题是将剥离的石墨烯与溶剂分离。

2.2.3电化学剥离法
通过将石墨放在离子液体中并使石墨烯电特殊的化学性质来合成石墨烯。

可以制备含有官能团的特殊石墨烯，并且可以将官能化后的石墨烯溶解在非质子溶剂当中。

2.2.4超强酸溶解法
该方法主要将石墨溶解在氯磺酸中合成石墨烯，这是一种定量生产石墨烯的方法。

由于对环境污染大，合成成本高，限制了该方法在工业领域中的进一步推广。

氧化还原法是在强酸条件下使用强氧化剂如高锰酸钾、氯酸钾以及硝酸钠氧化石墨的方法，通过将获得的氧化石墨进行剥离以合成氧化石墨烯。

在水中形成稳定的氧化石墨烯分散体。

将氧化石墨烯改性后为可溶解在有机溶剂当中。

同时，通过还原剂还原氧化石墨烯也能得到纯度较高的石墨烯。

3石墨烯的性质及应用
石墨烯特殊的晶体结构赋予其较好的导电性。

当电子在石墨烯层中传输时，干扰小并且散射不容易，迁移率高达2x105cm2/V.s，大概是硅中电子迁移率的140倍。

导电率为106S/m，是室温下最好的导电材料之一。

单层石墨烯透明度高，可见光的吸收率大约为2.3%。

因此，可以从薄层石墨烯的可见光透射率估计层数，石墨烯层数的初始区分也就更加容易。

石墨烯作为透明导电薄膜材料中的首选，可替代传统的薄膜材料，如氧化铟锡（ITO）和氟掺杂氧化锡（FTO）[2]。

在表面改性之后，石墨烯不仅可以用作有机光电器件中的电子受体，同时又具备了更高的热学、力学性能，拉伸强度和弹性模量分别达到125GPa和1.1TPa。

作为已知材料中具有最高强度和硬度的晶体结构，石墨烯在复合材料的应用价值巨大。

其室温导热系数大约为5×103W/m.K，因此在导热方面具有广阔的应用前景。

4石墨烯和橡胶材料的合成方法
4.1直接共混法
直接共混法就是将几层石墨、石墨烯等直接与橡胶材料共混以获得橡胶复合材料。

但是这种方法有一个最大的问题，就是合成的石墨烯层以及石墨烯的分散性差。

存在更多的颗粒
聚集体，这最终导致橡胶复合材料的性能大大降低。

也有专家学者通过直接混合成了一些石墨片复合材料，最终结果表明，填料在直接共混物中的分散性差，聚集体的严重力学性能受到限制，拉伸强度区间为5-6MPa。

4.2溶液混合法
在溶液共混方法中，通常首先制备氧化石墨烯，进行改性以获得可以分散在有机溶剂中的分散体，再通过还原获得石墨烯，与橡胶溶液共混以合成石墨烯橡胶这种复合材料。

目前，溶液混合是专家学者重要研究的方法之一。

该方法的优点是分别进行石墨烯或氧化石墨烯的制备和橡胶复合物的合成，可以在过程中控制石墨烯的形态、尺寸，石墨烯相对容易分散；缺点就是需要使用对环境有害的有机溶剂[3]。

当使用原位还原法时，可能会由于橡胶类型和还原剂的不同造成橡胶劣化的后果。

5石墨烯在橡胶中的应用分析
5.1与普通橡胶材料的合成应用
石墨烯复合材料的物理和力学性能受诸多因素的影响，例如石墨烯的分散程度以及橡胶基质同石墨烯之间发生界面相互作用，橡胶复合材料的交联密度等。

在天然橡胶中逐渐添加石墨烯，会造成炭黑的机械性能发生变化。

这种变化规律为：石墨烯复合材料的拉伸强度得到显着提高。

在石墨烯含量的不断增加的过程中，断裂伸长率和100％伸长率得到显着改善。

分析出现这种的情况的原因为石墨烯与碳纳米管和炭黑相比具有其独特的特性：柔韧性和厚度超薄，这导致石墨烯的强机械结合和吸附能力，此外，石墨烯还具有高比表面积，所以向橡胶材料中添加石墨烯造成系统中物理缠结点和交联点的增加，进而导致交联密度增加。

随着石墨烯含量的增加，带来体系中的物理交联点以及缠结点也在不断增加，随之增加的是断裂伸长率和拉伸应力。

另外，随着石墨烯含量的增加，当交联密度固定在某一值时，石墨烯结晶更加容易，应力诱导结晶是提升复合材料的关键因素，因此具有较大的工业价值。

5.2与导电高分子的合成应用
与普通纳米填料、碳纳米管比起来，合成石墨烯主要来源于天然石墨，它不仅价格便宜而且易于使用。

此外，石墨烯具有独特的层状结构，这是一种非常薄的单层结构。

因此可以被认为是理想的高导电填料，它可以通过与聚合物材料配合来提高聚合物材料的导电性[4]。

6石墨烯橡胶复合材料的展望
随着越来越多的专家学者对石墨烯橡胶符合材料展开研究，也为复合材料的创新使用提供了思路。

如下图所示，将石墨烯进行改性有利于进一步开拓石墨烯复合材料的应用途径。

当前，将石墨烯材料加进复合材料还处于初步的理论阶段，当前石墨烯的制备工艺还没有炭黑、碳纳米管等工艺那样纯熟，在石墨烯制备的过程中容易发生操作失误引起材料缺陷的情
况，这些不足都还有待今后的进一步优化巩固，促进石墨烯在与橡胶材料复合制备中发挥出更大的价值。

图2石墨烯改性
结语
综上，随着石墨烯近年来在我国工业领域的广泛使用，这种新型纳米材料充分发挥出了它的优势，体现出较高的的工业价值。

作为一种导热性、导电性俱佳的材料，将石墨烯与橡胶材料进行复合对提升我国工业生产意义重大。

本文正是基于这种背景对石墨烯橡胶混合材料进行了相关论述，只有在充分明确了材料特性的基础上，才能促进这种新型材料在行业中取得更好的发展。

参考文献：
[1]陈利,庞秀江,赵健,于广水.石墨烯对天然橡胶硫化胶性能的影响[J].橡胶工业,2018,65(11):1233-1236.
[2]王永伟,陆铭,李岩磊,陈宏.石墨烯/橡胶复合材料的制备及研究进展[J].橡胶科技,2018,16(06):5-9.
[3]苏博,李玉庭.石墨烯在轮胎橡胶中应用技术的进展解析[J].橡塑技术与装备,2018,44(07):18-23.
[4]陈航,王继虎,温绍国,李何青,罗健,余大洋.磺化石墨烯/天然橡胶复合材料的性能研究[J].高分子通报,2017(06):32-38.。