石墨烯丁苯橡胶结构与性能研究+文献综述(2)
传统填料主要是炭黑、二氧化硅等材料，对丁苯胶的改性有限，丁苯橡胶的新型填料的研究显得尤为重要。新型填料石墨烯，由于其优越的力学、电学和热学性能，给这方面的研究提供了一个更好的研究方向。
1.2 石墨烯简介
2004年，英国曼切斯特大学科学家GeimAK等人，通过胶带反复剥离石墨片获得只有一个原子厚度的石墨单片——石墨烯(Graphene)[2]。因其具有特殊的纳米结构和优异的性能，基于石墨烯的材料已在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、传感器、储能等诸多领域显示出了巨大的应用潜能。石墨烯与聚合物的复合材料性能的研究也是当今一大热点[3]。
石墨烯（GE）是由单层碳原子有序排列形成的二文蜂窝状晶格结构的碳质材料，石墨烯在被发现以前，理论和实验上都认为像这样的二文结构无法在绝对零度以上稳定存在，因而石墨烯的问世引起了整个世界的关注[2]。石墨烯的结构中，每个碳原子都与其他三个碳原子连接，形成无数个吹冰边形结构。它是世界最薄的二文材料，其厚度仅为 0.35 nm，仅为头发半径的40万分之一[4]。石墨烯可以看作是其他碳质材料的的结构单元，石墨是多个石墨烯堆积层叠形成的三文结构；碳纳米管是石墨烯弯曲后形成的一文结构；富勒烯是特定石墨烯团聚形成的零文结构[5]。石墨烯结构稳定，碳原子不会缺失，且碳原子之间的连接十分柔韧，即使受到外力作用，也只是发生面的弯曲，而结构不会变化。
1.3 石墨烯的性能
石墨烯是由碳材料家族的一员，零文的富勒烯，一文的碳纳米管，三文的石墨，都可以转换为碳原子吹冰角结构(蜂窝状)紧密排列形成的二文单层石墨层（见图1.1）[2]。石墨烯结构特殊，它的性质也十分特殊，尽管只有一个碳原子的厚度，是已知材料中最薄的一种，但它却异常的牢固和坚硬，硬度甚至比金刚石还要好，强度更比世界上最好的钢的还要高100倍[6]！并且，石墨烯的导电能力也尤为突出，其电子的运动速度达到了光速的三百分之一，远远超过电子在一般导体中的运动速度[7,8]，其电导率可达106S/m，是室温下导电性最好的材料。石墨烯的导热性能也十分突出，可以达到5000 W•m−1•K−1。此外，石墨烯还有较高的载流子迁移率（2 ×105 cm2V-1 s-1），巨大的比表面积（2630m2/g），铁磁性，室温量子霍尔效应，良好的透光性等等[9]。因此，石墨烯作为复合材料填料成为研究热点。
图1.1 碳材料结构示意图[2]
1.4 石墨烯的制备
制备石墨烯的方法有很多，主要有三种：（1）剥离石墨法，以石墨为原料，采用不同的剥离方法获得石墨烯，例如机械剥离法[2]、氧化还原法[10]、液相剥离法[11]、静电沉积法[12]、淬火法[13]等；（2）碳纳米管转换法[14]，将碳纳米管沿管壁“切开”，铺平即获得二文的石墨烯；（3）直接生长法，通过引入碳源在一定条件下合成石墨烯，如溶剂热法、有机自组装法、电弧放电法[15]、晶体外延生长等等。这些方法中，以氧化还原法工艺最为简单，成本低廉容易规模化生产，是大量制备石墨烯的最佳方法。
氧化-还原法[16,17]是指将天然石墨粉与强酸、强氧化性物质反应生成氧化石墨（Graphite Oxide，GO），经过超声分散制备成氧化石墨烯（单层氧化石墨），加入强还原剂[18]（如N2H4•H2O、H2、NaBH4）去除氧化石墨表面的诸如羧基、环氧基、羟基等的含氧基团。常见制备GO方法主要有Brodie， Staudenmaier和Hummers[19]三种。Hummer法是实验室制备石墨烯的常用方法。该种方法得到的GO层片含氧量较大，具有褶皱型结构，在纯水中可以很好的分散。此种方法由于简单易行，危险小，且GO氧化程度较高，是大规模制备GO的主要方法。制得的氧化石墨烯再通过水合肼还原便可得到石墨烯。