由于石墨烯是由sp2雜化的碳原子構(gòu)成的平面共軛結(jié)構(gòu)，其片層間存在非常強的π-π作用以及范德華作用力，導致其分散性極差，嚴重制約了石墨烯的實際應用。雖然傳統(tǒng)的商品表面活性劑（如SDBS、CTAB、Triton-X、Tween80）、高分子穩(wěn)定劑（如PVP、PSS、PDDA）等都可以對石墨烯起到一定的分散穩(wěn)定作用，但往往存在分散劑用量大、石墨烯濃度低等問題。過多的分散劑用量以及過低的石墨烯濃度均是構(gòu)建復合材料的不利因素。

因此，開發(fā)新型、高效、低成本的分散劑是實現(xiàn)石墨烯規(guī)模化應用亟待解決的重要問題。基于此，復旦大學材料科學系、教育部先進涂料工程研究中心周樹學教授團隊開展了系列研究工作，開發(fā)了兩種新型石墨烯分散劑，均在石墨烯復合材料制備中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，現(xiàn)將其研究成果做簡要介紹。

多氨基陽離子型苝酰亞胺類石墨烯分散劑

以一種常用的染料中間體——苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA）為原料，經(jīng)與系列多乙烯多胺在甲苯中回流反應、甲酸酸化處理得到此類石墨烯分散劑。該分散劑具有在較低用量下實現(xiàn)石墨烯高濃度分散的特點。研究發(fā)現(xiàn)，PTCDA與三乙烯四胺的反應產(chǎn)物HAPBI-3（圖1）對石墨烯具有最佳的分散性能。HAPBI-3用量僅為石墨烯粉末（XF001W）質(zhì)量的1/3，就能得到濃度達到2mg/mL的分散液。分散液zata電位值為+28.5mV，能夠長時間穩(wěn)定存在。該分散劑對石墨烯的導電性影響很小，與市售商品分散劑相比具有明顯的優(yōu)勢（詳見CuiJ,ZhouS.,JournalofNanoparticleResearch,2017,19(11):357.DOI:10.1007/s11051-017-4047-8）。

利用HAPBI-3的陽離子特性，將制備的石墨烯與碳納米管分散液分別與帶負電荷的磺化聚苯乙烯（SPS）微球混合，得到了均勻包覆的SPS@Graphene與SPS@MWCNT核殼型結(jié)構(gòu)微球（圖2a）。SPS@Graphene復合材料經(jīng)熱壓處理，形成具有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的復合材料（圖2b）。由于HAPBI-3具有用量少、對石墨烯導電性影響小等特點，制備的SPS@Graphene復合材料還具有超低的滲流閾值（<0.047vol%）和非常好的導電性（圖2c），石墨烯的體積含量為4.51vol%時，材料的電導率達到104S/m。當MWCNTs的體積含量為3.20vol%時，由于其導電性更好，SPS@MWCNT復合材料的電導率可高達391S/m，將其串聯(lián)在9V的電路中，還可將小燈泡（3.8V，0.3A）點亮（圖2d）（詳見CuiJ,ZhouS.,JournalofMaterialsChemistryC,2018,6(3):550-557.DOI:10.1039/c7tc04752e）。

具有自交聯(lián)反應功能的石墨烯分散劑

以對苯二胺和帶有環(huán)氧基團的硅烷偶聯(lián)劑（KH-560）為原料，在甲醇中回流，進一步在酸性條件下水解得到TSiPD（圖3）分散劑。這種分散劑的最大特點是具有高反應活性，在復合材料中可以作為有效成分存在。當TSiPD與石墨烯（XF001W）的質(zhì)量比為1.2:1時，分散液的濃度高達10mg/mL。將石墨烯分散液涂覆到基材表面，由于TSiPD分子含有高反應活性的硅羥基（-Si-OH），分子間能夠脫水縮合形成Si-O-Si鍵，從而可以自發(fā)交聯(lián)形成高強度復合涂層。經(jīng)不同溶劑浸泡、鉛筆硬度測試（圖4a）證明石墨烯復合涂層具有良好的機械強度。此外由于沒有額外的成膜物質(zhì)加入，復合涂層中由于含有高濃度的石墨烯還具有很好的導電性（圖4b）（詳見CuiJ,ZhouS.,ChemistryofMaterials,2018,30(15):4935-4942.DOI:10.1021/acs.chemmater.8b00884）。

將純棉織物在上述含有TSiPD的石墨烯及碳納米管分散液中分別連續(xù)浸涂，干燥后可以得到高耐久性的納米碳/棉導電復合織物（圖5）。經(jīng)過20次的浸涂處理，石墨烯和MWCNTs復合織物的表面電阻分別降低到38.4Ω/sq和71.6Ω/sq，具有非常好的導電性，同時還能表現(xiàn)出良好的拉伸響應性及電加熱性能（詳見CuiJ,ZhouS.,JournalofMaterialsChemistryC,2018,6(45):12273-12282.DOI:10.1039/c8tc04017f）。

由于高反應活性Si-OH的存在，石墨烯和MWCNTs在纖維表面結(jié)合的非常牢固，多次水洗后，復合織物表面形貌及電阻都沒有發(fā)生明顯變化。在水以及乙醇、二氯甲烷、THF和DMF等有機溶劑中超聲處理也不會脫落，體現(xiàn)出良好的耐水洗及耐溶劑性