石墨烯/PI复合膜的制备及性能表征(3)
1.1.2 氧化石墨烯
自从19世纪中期Brodie首次制备出氧化石墨以来，人们便对它产生了极大的兴趣，对其研究从提出制备方法到结构模型的完善再到应用方面的探索从未停止。直到近年来石墨烯概念的形成，从而氧化石墨烯也相应的登上了科学研究的舞台。
氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)为单层的氧化石墨，是石墨烯重要的衍生物，通常是以石墨为原料，经强氧化剂氧化生成，然后经过特殊处理使单层石墨片层脱离范德华力的束缚独立存在。它的结构与石墨烯大体相同，只是在一层碳原子构成的二文空间无限延伸的基面上连接有大量含氧基团，如平面上含有一OH和C-O-C，而在其片层边缘含有-COOH，其结构如下图1-2所示。这些功能性基团赋予氧化石墨烯一些新的特性，如分散性、亲水性、与聚合物的兼容性等，但同时功能基团的接入，使层面内π键断裂，因而失去了传导电子的能力。
图1-2 氧化石墨烯结构
在氧化石墨烯的结构中，由于氧原子的侵入从而对石墨原有的碳网平面结构造成一定的破坏作用，其机理至今尚未研究得十分透彻。其中，一部分研究人员认为，氧原子是以氧桥的形式连接于同一碳层上的两个不相邻的碳原子之间，这势必造成该碳网平面的扭曲而形成马鞍型结构。然而，Left等人则提出，除与一OH相连的碳发生轻微扭曲外，氧化石墨烯的碳层结构仍保持原来的芳香族平面结构。
1.1.3 石墨烯／聚合物复合材料
石墨烯具有优异的导电、导热和力学性能，可作为制备高强导电复合材料的理想纳米填料，同时分散在溶液中的石墨烯也可和聚合物单体相混合形成复合材料体系，此外石墨烯的加入使复合材料多功能化，不但表现出优异的力学和电学性能，且具有优良的加工性能，为复合材料提供了更广阔的应用领域。
结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯吹冰元环组合而成的二文晶体，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质(如溶剂等)相互作用较弱，且石墨烯片与片之间存在较强的范德华力，容易产生团聚，使其难溶于水和常用有机溶剂，限制了石墨烯的进一步研究与应用。而氧化石墨烯表面含有大量的含氧官能团，具有优异的可加工性能和溶解性，这使得改性石墨烯成为可能。因此，石墨烯氧化物是大规模合成石墨烯的起点，也是实现石墨烯功能化最为有效的途径之一。制备石墨烯复合材料的主要方法之一就是让氧化石墨烯与各类聚合物材料先进行复合，再将复合材料中的氧化石墨烯还原，从而得到聚合物／石墨烯复合材料，以改善纳米复合材料的力、热、电等综合性能。氧化石墨烯与聚合的复合方法主要有原位聚合法和直接共混法。
原位聚合法是将小分子单体进入到氧化石墨烯的层间或吸附在层离后氧化石墨烯片层上，进而引发聚合形成聚合物复合材料。由于氧化石墨烯的亲水性使其能够均匀分散在水介质中形成稳定的分散体系，同时水分子也会进入到氧化石墨烯层间使其层间距增大，因而水溶性单体如丙烯酰胺、丙烯酸等和氧化石墨烯很容易在引发剂的作用下进行原位聚合，从而得到聚丙烯酰胺聚丙烯酸／氧化石墨烯复合材料。此时，进入到氧化石墨烯层内的聚合物使其层间距增大，亦即形成了具有片层状结构的聚合物复合材料。
聚合物直接共混法则相对比较简单、直接，通常的做法是，氧化石墨烯在碱性环境下发生溶胀甚至层离，使其层间距增大、片层问的作用力减弱，为聚合物分子链的直接嵌入提供了结构基础。因此，利用这一性质，将一定浓度的聚合物溶液或乳液与氧化石墨烯胶体溶液混合，在溶剂的作用下，聚合物分子直接进入到氧化石墨烯层间或作用于氧化石墨烯表面，从而形成氧化石墨烯／聚合物复合材料。
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