纳米材料在硝化棉体系中分散性研究(2)
1.2 纳米材料
纳米材料（Nanomaterial）是一切尺度在1~100 nm范围内以及含有此类尺度大小的材料[4]。
1.2.1 纳米材料的特性
纳米材料由于粒径小，表面原子所占比例高，相对于宏观尺度的材料具有较高的比表面积和表面活性，因此会有很多奇特的物理化学特性。将纳米材料加入到各种传统材料中，传统材料通常会表现出许多宝贵的性质，比如力学性能增强，热学、光学、电学性能的改善等，有时还会表现出一些新的特性，比如金属金（Au）通常是金黄色，但是纳米金呈现的是黑色[4]；金属铜通常不与氧气发生氧化反应，但纳米铜常温下会与氧气反应。
1.2.2 纳米材料的团聚及解决方法
物质在敞开的体系中加热时，构成物质的基本质点之间的距离总是会不断增大的，即我们常说的扩散过程，这其中就包括我们熟悉的物质的熔化、蒸发、升华等过程。另外，化合物的分解反应也是需要加热的。这些熵增的过程都被证实是可自发进行的。但是与之相反，纳米粉体在加热过程中一般都是颗粒的团聚过程，这一现象从一个角度体现出纳米材料被称为“介观材料”的原因所在。构成介观材料的基本质点小于宏观块状材料基本质点的尺寸，大于分子、原子等微观粒子的尺寸。宏观块状材料表面积较小，表面性质对材料性质影响十分有限。纳米材料相比于宏观块状材料，比表面积大很多，表面能也显著增加，因此表面现象对材料的性质影响很大。表面能为颗粒的表面张力（σ）与颗粒比表面积（S）的乘积，且S是影响表面能的主要因素，根据能量最低原理，纳米粉体在加热过程中的团聚会使材料比表面积减小，从而使表面能降低，因而纳米材料的团聚是个可自发进行的过程[5]。纳米材料的团聚会带来很多负面影响，比如，在纳米材料用作催化剂时，团聚使催化剂效率降低；在用作结构材料时，团聚会使材料性能降低，无法达到预期的要求等[6]。
溶胶凝胶法、沉淀法、异质絮凝法、微乳液法和气相沉积法等表面包覆方法是解决纳米材料团聚的常用方法，由于包覆物的存在产生了位阻斥力，纳米粒子不易团聚，由此可以达到纳米材料分散的目的[7]。
1.3 氧化石墨烯
石墨烯是一种二文自由态原子晶体，也是构成富勒烯、碳纳米管和石墨晶体的基本结构单元[8]，有各种奇特的物理化学性质，但是石墨烯具有疏水性，且强大的分子间作用力使得石墨烯容易团聚。氧化石墨烯属于石墨烯的派生物，在石墨烯的基础上表面增加了羟基、羧基等亲水基团[9]，与石墨烯相比，多了很多优异的性能，比如，良好的润湿性和表面活性，对改善材料的热学、力学、电学性能有很大帮助。由于氧化石墨烯奇特的物理化学性质，在信息、电子、生物医药和材料等领域都有广阔的应用前景[10]。
1.3.1 氧化石墨烯的制备方法
氧化石墨烯的制取途径主要有Hummers法、Brodie法和Staudenmaiera法等，但是归纳起来后会发现，这些方法都是以石墨为原料，在强酸和少量的强氧化剂的作用下形成1阶石墨层间化合物，接下来用过量的强氧化剂使之发生深度液相氧化反应，将得到的产物水解得到氧化石墨，然后长时间搅拌氧化石墨和水或其他溶剂的混合物或者使用超声清洗器对混合物进行震荡并最终得到氧化石墨烯分散液。在几种传统制备方法中，Hummers法因制备所需时长短，没有有毒气体生成，被普遍用于氧化石墨烯的制备[11]。
Hummers法制备氧化石墨烯基本流程是：将石墨粉与无水硝酸钠(NaNO3)加入浓硫酸中（其中浓硫酸要用冰块文持低温），快速搅拌同时加入高锰酸钾（KMnO4），再用体积分数为3%的H2O2还原体系中未反应的KMnO4和MnO2得到亮黄色悬浊液体，最后过滤、洗涤3次后在真空环境下清除残余的水分，得到表面不太平整的氧化石墨（GO）[12]。用这种方法得到的GO含氧量高，在纯水中分散良好，且所需时间短，无有毒气体产生，但是反应中需控制的条件较多，过量的高锰酸根离子会造成潜在的环境污染，因此很多人对这种方法进行了改进，比如，雷芸等[13]在Hummers法基础上进行改进，微晶石墨分别经低温、中温与高温氧化制备微晶氧化石墨。低温时将微晶石墨、硝酸钠和高锰酸钾加入浓硫酸，再把体系温度升高至中温，使之得到更深层次的氧化，最后再次升高体系温度至高温，并用滴管缓慢添加双氧水，最终制得微晶氧化石墨。