sdbs 石墨烯高效分散解决方案：新型石墨烯分散剂

石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的平面共轭结构，其片层之间存在非常强的π-π相互作用和范德华力，导致石墨烯分散性差，严重制约了石墨烯的实际应用。虽然传统的市售表面活性剂(如SDBS、CTAB、Triton-X、Tween 80)和聚合物稳定剂(如PVP、PSS、PDDA)可以起到一定的分散和稳定石墨烯的作用，但往往存在分散剂用量大、石墨烯浓度低的问题。分散剂过多和石墨烯浓度过低都是复合材料构建的不利因素。

因此，开发新型、高效、低成本的分散剂是实现石墨烯大规模应用需要解决的重要问题。基于此，复旦大学材料科学系周树学教授和教育部先进涂层工程研究中心开展了一系列研究工作，开发了两种新型石墨烯分散剂，在石墨烯复合材料的制备中均表现出优异的性能。简要介绍了研究结果。

聚氨基阳离子苝酰亚胺石墨烯分散剂

以常见的染料中间体苝-3，4，9，10-四羧酸二酐(PTCDA)为原料，与一系列多乙烯多胺在甲苯中回流反应，甲酸酸化制得石墨烯分散剂。该分散剂具有以较低的用量实现石墨烯高浓度分散的特点。研究发现，PTCDA和三亚乙基四胺的反应产物HAPPI-3(图1)对石墨烯的分散性能最好。habbi-3的用量仅为石墨烯粉末(XF 001W)质量的1/3，可以得到浓度为2 mg/mL的分散体。弥散的zata电位值为+28.5 mV，可长期稳定存在。与市售分散剂相比，这种分散剂具有明显的优势(见崔军，周，纳米粒子研究杂志，2017，19 (11): 357。doi: 10.1007/s11051-017-4047-8)了解详情。

图1，分散剂habbi-3和2mg/mL石墨烯分散体的分子式

根据HAPPI-3的阳离子特性，将制备的石墨烯和碳纳米管分散体与带负电荷的磺化聚苯乙烯(SPS)微球混合，得到均匀包覆的SPS @石墨烯和SPS@MWCNT核壳微球(图2a)。SPS @石墨烯复合材料热压形成具有三维网格结构的复合材料(图2b)。由于HAPPI-3具有用量小、对石墨烯电导率影响小的特点，制备的SPS @石墨烯复合材料还具有超低的逾渗阈值(

图2，(a)SPS @石墨烯核壳微球，(b)热压后的截面，(c)复合材料电导率随填料体积含量的变化趋势，(d)电路中串联的多壁碳纳米管复合材料的SEM图像。

具有自交联反应功能的石墨烯分散剂

以对苯二胺和环氧基硅烷偶联剂(KH-560)为原料，在甲醇中回流，在酸性条件下进一步水解，得到TSiPD(图3)分散剂。这种分散剂最大的特点是反应活性高，可作为复合材料中的有效成分。TSiPD与石墨烯(XF 001W)的质量比为1.2:1，分散体的浓度高达10 mg/mL。石墨烯分散体涂覆在基底表面。由于TSiPD分子含有高活性的硅羟基(-硅羟基)，分子可以脱水缩合形成硅氧硅键，自发交联形成高强度复合涂层。经过不同溶剂浸泡和铅笔硬度测试(图4a)，证明石墨烯复合涂层具有良好的机械强度。此外，由于没有添加额外的成膜物质，复合涂层由于石墨烯的高浓度而具有良好的导电性(图4b)(参见崔杰，周s，材料化学，2018，30 (15): 4935-4942。doi: 10.1021/ACS。chemmater。8b00888了解详情)

图3，用分散剂TSiPD制备的石墨烯分散体及其在玻璃基板表面形成的涂层(截面SEM和内部交联示意图)。

图4，(a)石墨烯复合涂层的铅笔硬度，(b)在聚酯基底表面构建的复合涂层及其导电性测试。

将纯棉织物连续浸涂在含有TSiPD的石墨烯和碳纳米管分散体中，干燥后可获得高耐久性的纳米碳/棉导电复合织物(图5)。经过20次浸涂处理后，石墨烯和多壁碳纳米管复合织物的表面电阻分别降至38.4ω/sq和71.6ω/sq，表现出良好的导电性，同时也表现出良好的拉伸响应和电加热性能(详见崔军，周，材料化学学报C，2018，6 (45): 12273-1223)

由于高活性氢氧化硅的存在，石墨烯和多壁碳纳米管牢固地结合在纤维表面。经过反复洗涤后，复合织物的表面形态和电阻没有明显变化。在水和有机溶剂如乙醇、二氯甲烷、THF和二甲基甲酰胺中超声处理不会脱落，表现出良好的耐洗性和耐溶剂性(图6)。