石墨烯憑借其卓越的導電性、導熱性、機械強度等特性,在復合材料、能源存儲、電子器件等領域展現出巨大潛力。石墨烯片層間存在強大的π-π作用和范德華力,極易發生不可逆的團聚,且其表面呈惰性,與許多聚合物基體的相容性差,這極大地限制了其優異性能的發揮和在基體中的均勻分散。因此,對石墨烯粉體進行表面改性,并借助有效的粉體改性劑,成為解決這些瓶頸問題的關鍵。其中,可再分散性乳膠粉作為一種重要的有機粉體改性劑,在改善石墨烯的加工與應用性能方面扮演著重要角色。
一、石墨烯粉體表面改性的主要方法
石墨烯的表面改性旨在通過物理或化學手段,在其表面引入功能基團或包覆層,以改善其分散性、界面相容性及特定功能。主要方法包括:
- 共價鍵改性:通過強氧化(如Hummers法)在石墨烯表面引入羧基、羥基、環氧基等含氧官能團,得到氧化石墨烯(GO)。這些活性基團為進一步接枝硅烷偶聯劑、聚合物鏈或小分子提供了反應位點,能顯著增強石墨烯與極性基體(如某些樹脂、水泥)的界面結合力。但此法可能部分破壞石墨烯的本征sp2結構,影響其導電性。
- 非共價鍵改性:利用π-π堆積、氫鍵、離子鍵或范德華力等非共價相互作用,將表面活性劑(如十二烷基苯磺酸鈉)、聚合物(如聚苯乙烯磺酸鈉)或芳香族分子吸附在石墨烯表面。這種方法不破壞石墨烯的完整結構,能有效阻止其團聚,并可根據改性劑性質賦予石墨烯特定的親水或親油性。
- 聚合物包覆/接枝改性:通過原位聚合、“接枝到”或“接枝自”等方法,在石墨烯表面形成聚合物包覆層或接枝聚合物鏈。這不僅能提供空間位阻效應防止團聚,還能通過與基體聚合物相似的鏈段結構實現良好的相容性。
- 無機納米粒子修飾:將二氧化硅、二氧化鈦等無機納米粒子負載于石墨烯表面,可以構建三維雜化結構,同時賦予石墨烯新的光、電、催化等功能,并改善其在某些無機體系中的分散。
二、粉體改性劑的作用及其典型代表:可再分散性乳膠粉
粉體改性劑是上述改性方法中實施的關鍵物質,其核心作用是作為“橋梁”或“隔離層”,優化石墨烯粉體的物理化學性質。以可再分散性乳膠粉為例,其作用機理和優勢尤為突出。
可再分散性乳膠粉通常由乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、丙烯酸酯等聚合物乳液經噴霧干燥制成,外觀為白色粉末,遇水后可重新乳化成穩定的乳液。將其用于石墨烯改性,主要作用如下:
- 優異的再分散與隔離作用:乳膠粉粒子可以吸附在石墨烯片層表面或片層之間,形成物理隔離層,有效減弱片層間的范德華力,防止干燥態下的硬團聚。當改性后的石墨烯復合粉體加入到水基體系(如水泥砂漿、涂料)中時,乳膠粉遇水再分散,包裹著石墨烯的聚合物膠膜能迅速釋放,借助乳化作用和空間位阻,促使石墨烯以納米或微米尺度穩定分散于體系中。
- 顯著改善與基體的相容性和界面結合:乳膠粉的聚合物成分(如EVA、丙烯酸酯)與許多建筑聚合物砂漿、涂料、密封膠的基體成分相似或相容。當石墨烯表面包覆了這樣一層聚合物后,其與基體聚合物的界面能降低,相容性大幅提高。在材料固化過程中,乳膠粉形成的柔性聚合物膜還能與基體相互交織、滲透,形成牢固的物理錨定,從而將石墨烯牢固地“綁定”在基體內部,優化應力傳遞。
- 提升復合材料的綜合性能:通過乳膠粉改性的石墨烯,能更均勻地分散在基體中,充分發揮其增強、增韌、導電或導熱的功能。例如,在水泥基復合材料中,改性石墨烯可以更有效地阻礙微裂紋擴展,提升材料的抗折強度和耐久性;在功能性涂料中,則有助于構建更完善的導電或導熱網絡。乳膠粉本身常能賦予基體更好的柔韌性、粘結力和抗滲性。
- 改善加工流動性:經乳膠粉包覆后,石墨烯粉體的流動性和抗結塊性得到改善,更易于在干混工藝中與其他粉體原料(如水泥、填料)均勻混合,簡化了生產工藝。
對石墨烯粉體進行表面改性是解鎖其應用潛力的必經之路。通過共價或非共價方法引入功能化基團或包覆層,可以針對性解決其分散與界面難題。而可再分散性乳膠粉作為一類高效的粉體改性劑,憑借其獨特的再分散特性、優異的界面橋接能力和對復合材料性能的全面提升,為石墨烯在建筑材料、聚合物復合材料等領域的規模化、高性能化應用提供了一種極具前景的解決方案。針對不同應用體系開發專用型、功能化的復合改性劑,將是該領域的重要發展方向。