复合材料特性

（1）力学性能

石墨烯被认为是迄今为止强度最高的物质，添加石墨烯可以增加聚合物的力学性能。拓展石墨烯的改性范围，开发出多种的增强复合材料变得尤为重要。改性的程度有许多影响因素，例如强相的浓度和在基质中的分布状态，界面粘合性和增强相的长径比等。石墨稀纳米片和聚合物基体之间的界面粘合性强，是进行有效加固的关键。局部两相间不相容性可能由于石墨稀对基体的附着力差而降低应力转移几率，导致了一个较低的机械性能复合材料。可使用氢键和范德华力非共价键改善界面相互作用，提高聚合物基体机械性能[1]。

尽管些物理相互作用可以提高复合材料的性能，在外部受力下填料与基体之间相对移动是不可避免的。这限制了材料的最大使用强度。为了缓解该问题，关键是选择有效的手段，提高界面与基体间的抗剪切强度。改善填料与基体之间靠共价键形成的应力传递。例如，利用GO表面的羟基（-OH）与聚氨酯链上的端部的-NCO基团反应，形成聚氨甲酸酯键(-NH-CO)而共价键合到聚氨酯上。（2）导电导热性能

石墨烯的导电性能是目前已知导电材料中最好的，其载流子迁移率达15000 cm2·V- 1·s- 1[ 2]。这个数值是目前已知具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，是商用硅片迁移率的10倍以上。石墨烯具有高导电性，当加入到聚合物基体中，可导电的石墨烯分散在基体中形成导电网络，可以大大提高复合材料的导电性。复合材料表现出导电性随石墨烯含量的增加呈现一种非线性增长。

石墨烯的导热性能很高，在室温下为3000W·M-1·K-1，已被用来作为基体填充物，以改善聚合物的热导率和热稳定性。片状石墨稀的二维片层结构在聚合物较低的界面热电阻，从而产生更好的导电性增强聚合物复合材料。其他因素，例如石墨稀片的长径比，取向和分散，基体的种类等也将影响复合材料的热性能。（3）热稳定性

热稳定性是复合材料的另一个重要性能，可以通过在聚合物基体中嵌入石墨烯来实现。高的热稳定性和层状结构的石墨烯的加入，会使复合材料热性能显著提高。Ramanathan等[3]系统研究发现石墨烯的加入可以使聚甲基丙烯酸甲酯的模量、强度、玻璃化转变温度和热分解温度大幅度提高。并且石墨烯的作用效果远远好于单壁碳纳米管和膨胀石墨。

（4）气体阻隔性能

石墨烯的加入相对于原始的聚合物可以显着减少气体对聚合物复合材料的透过率。各种研究表明,气体渗透性降低可能由于石墨稀长径比和高表面积,以及在聚合物基体中形成的“弯曲通道”效应 (tortuous path effect)，从而有效的阻隔了气体分子的扩散和穿透。Pinto等[4]研究了聚乳酸/石墨稀复合材料对氧气和氮气的阻隔性。结果表明，与未加入石墨稀前相比在复合物中使用0.4%(重量)添加量可以使复合材料对氧气的透过量下降三倍,对氮气的透过量下降四倍。（5）吸附性能

众所周知，吸附强烈依赖于孔隙结构和表面面积，以及吸附剂的官能团。石

墨烯表面没有活性基团，从此方面来讲，普通石墨烯不会吸附水合金属离子或者金属离子与简单阴离子的配合物。但是，普通石墨烯可通过范德华力或者疏水相互作用金属离子。石墨烯纳米片具有较高的表面积也可以是一个优良的吸附剂。Machida等[5]研究了活性碳和木炭的石墨烯层对Pb2+的吸附并发现羧酸的酸性氧原子和内酯官能团和石墨烯层的Π电子对Pb2+的吸附起主要作用。

氧化石墨烯（GO）表面含有羰基、羟基等基团。这些含氧基团使得使得它具有良好的亲水性，并且上面的含氧基团可以和金属离子发生作用，进而可以分离富集水相中的金属离子。最近的研究表明，在适宜的条件下，石墨烯可以折叠/聚集在一起[6-8]。利用此原理，Yang等[9]研究了片状氧化石墨烯对水相中Cu2+的去除。这里氧化石墨表面的氧原子和Cu2+的络合作用是主要的推动力,研究结果表明片状氧化石墨烯有很好的吸附性能。Ma等[10]以乙二胺为还原剂，与氧化石墨烯水溶液回流反应，制备出乙二胺还原的氧化石墨烯。将其应用于酸性水溶液中Cr(VI)的富集。研究表明，该吸附剂有大的比表面积，可有效除去水中的Cr(VI)，而且该材料可地从水相中回收分离。他们还发现乙二胺-石墨烯表面的π电子供体，在吸附Cr(VI)的过程中可同时将其还原为毒性较小的Cr(III)，该过程集富集和还原于一体，提高手性含Cr(VI)废水处理效率。分析机理认为过程如下：①在酸性条件下，Cr(VI)阴离子首先通过静电作用力与乙二胺-石墨烯表面的正电荷作用，被吸附到表面；②石墨烯碳原子六元环上的π电子将Cr(VI)还原为Cr(III)；③所制备材料表面氨基质子化后带正电荷，通过静电斥力将Cr(III)释放进溶液中，或者Cr(III)与石墨烯表面带负电荷的羧基通过静电作用力吸附在一起。

聚吡咯是一种含有N杂原子的有机物，对金属离子也有良好的配位作用。Chandra等[11]和Zhao等[12]分别制备了石墨烯/聚吡咯复合物，前者将此材料用于水中Hg2+的吸附，研究表明，在相同条件下，Cu2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+等离子不干扰；后者将此材料修饰到玻碳电极上，用于水中Hg2+的测定，在相同条件下，Cu2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+等离子也不干扰Hg2+的测定。这进一步证明了此材料对Hg2+的选择性。