石墨烯的共价改性及其水分散性能研究

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第42卷第2期 非金属矿 Vol.42 No.22019年3月 Non-Metallic Mines March, 2019

石墨烯的共价改性及其水分散性能研究

王优群 何明胜* 程佳佳 张松磊 李玉成 王 京 陈立福 夏多田 

（石河子大学 水利与建筑工程学院，新疆 石河子 832003）

摘 要 用3种简单的工艺制备了苯乙烯马来酸酐共聚物

（SMA ）共价官能化石墨烯纳米片（GNPs ），同时制备出了稳定的改性石墨烯水分散体，并对改性石墨烯在水溶液中的分散性进行表征。由傅里叶红外光谱分析可知，两亲性聚合物SMA 与GNPs 发生了化学接枝作用，场发射扫描电子显微镜表明两亲性聚合物SMA 不均匀存在于GNPs 的表面和边缘中。由热失重分析和紫外可见光光谱分析可知，3种处理方式中超声处理法所得的改性石墨烯纳米片接枝率最高，在水溶液中的分散性最好，其稳定水分散液石墨烯含量可以达到0.32 mg/mL ，接枝率可达到18.02%。超声时间对接枝率的影响较大，而SMA 的浓度对接枝量的影响较小。

关键词 石墨烯；

分散性；共价修饰；苯乙烯马来酸酐共聚物中图分类号：

TB383 文献标识码：A 文章编号：1000-8098(2019)02-0005-04Synthesis of Styrene Maleic Anhydride Copolymer Grafting Graphene and Dispersion in Aqueous Dispersions

Wang Youqun He Mingsheng * Cheng Jiajia Zhang Songlei Li Yucheng Wang Jing Chen Lifu Xia Duotian

(College of Water and Architecture Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832003)

Abstract This article introduced poly (styrene-co-maleic anhydride) (SMA) grafting into the surface of the graphene nanoplates (GNPs) with three simple techniques and then produced stable graphene water dispersions. The infrared spectrum analysis showed that SMA had chemically grafting with GNPs, and the scanning electron microscopy demonstrated that the SMA was unevenly distributed on the surface and the edge of GNPs. Revealing from the analysis of the thermal weight loss and the ultraviolet visible light spectrum, it is found that the modified GNPs obtained by ultrasonic treatment excel in the grafting rate among other methods, as well as the dispersibility in aqueous solution, whose stable concentration nearly reached 0.32 mg/mL, grafting rate can reach 18.02%. Moreover, the ultrasonic duration affects the grafting rate a lot, and the concentration of SMA was almost irrelevant to the grafting rate.

Key words graphene; dispersion; covalent functionalization; SMA

收稿日期：2018-12-28基金项目：国家自然科学基金（51468057）。*

通信作者，E-mail ：hms1971@ 。

自2004年石墨烯被发现以来[1]，石墨烯以优良的力学[2-3]、

电学[1,4]和热学[5]性能受到了学者们的广泛关注。石墨烯片层间的π-π堆积效应[6]和较大的范德华力[7]使其难以稳定分散在水溶液和其他常见溶剂中，极大地制约了石墨烯复合材料在许多领域的应用和发展。因此，有必要通过表面功能化改性其表面性能来解决分散性问题。

尽管石墨烯微观结构是十分稳定的六原子环，但是其边缘与残缺部位具有很高的反应活性[8]。这为石墨烯共价官能化提供了可能。近年来，共价改性得到石墨烯分散体已引起学者们的广泛关注。其基本思想是对其边缘和不完全部分进行化学修饰，以获得稳定的石墨烯分散体。石墨烯的早期共价修饰主要

利用小分子化合物与经过氧化处理的石墨烯中含氧官能团的相互作用实现分散。Stankovich 等[8]采用异氰酸酯改性氧化石墨烯（GO ）。GO 表面的羧基和羟基被转化成酰胺基和氨基甲酸酯，提高了二甲基甲酰胺

（DMF ）、N-甲基吡咯烷酮（NMP ）和二甲基亚砜（DMSO ）中GO 的分散稳定性。除了异氰酸酯外，研究人员还采用1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺[9]、

氯化亚砜[10]、二环己基碳二亚胺[11]来提高石墨烯的分散性，效果较理想。然而，这些修饰石墨烯的高分子聚合物分子结构比较复杂，导致合成繁琐，成本昂贵，不利于大规模使用。

苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA)是一种性能优异，成本低廉的双亲性聚合物。SMA 中的马来酸酐链段在水解过后具有较高的反应活性，进行共价改性时所需的反应条件更温和。基于这两个特点，将SMA 共价修饰的石墨烯分散液用于诸如水泥基材料等低值工业品中增强其各种性能具有良好的应用前景与实