氧化石墨烯羧基丁腈橡胶的结构与性能研究(2)
3.2.4 导热性能 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
1.1 引言
导热橡胶在航空航天、电子电气等领域中具有广泛的应用，不仅能散热、传热，同时还起到绝缘和减震的作用。随着科技的迅速发展，对导热橡胶的其性能也提出了越来越高的要求。如电子元件中的绝缘导热密封橡胶，要求具有较高的导热率和耐老化性能，能够有效散去器件使用过程中产生的热量。传统的金属氧化物如氧化铍、氧化铝及氧化镁等填充到橡胶中可以赋予橡胶良好的导热性，但是它们都具有比较低的导热系数，一般只有0.1W/mK～50W/mK，而且大量的填充会导致橡胶失去原有的性能。因此，采用少量的功能填料同时实现橡胶的高性能化和导热功能化已经成为迫切需要解决的问题。
2004年Geim等人发现的单层碳原子厚度的石墨烯具有优异的力学性能和卓越的导热性能（热导率高达5000W/mK），是同时实现橡胶高性能化和导热能化的理想纳米填料。但是纳米石墨烯在橡胶基体中会发生团聚。因此需要对石墨烯进行表面改性。
由石墨化学氧化、剥离得到的氧化石墨烯，与二文的石墨烯相比，仅是sp2杂化结构遭到破坏，对其导热性能影响较小。并且其表面含有羟基、羧基和环氧基等含氧官能团，能有利于其在有机聚合物中的分散，因此氧化石墨烯作为补强和功能填料，开始受到人们的广泛关注。
1.2 氧化石墨烯及其制备
1.2.1 氧化石墨烯的简介
氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）或者氧化石墨，是由鳞片石墨通过强氧化剂氧化，在石墨片层表面引入极性基团，并由此削弱石墨片层间的Van der Waals力，撑开石墨片层而得到的二文片层材料 [1]。GO最早由Brodie于1859年将鳞片石墨与氯酸钾和发烟硝酸混合反应得到[2]。经由Hummers等人发展，如今GO的制备变得更加快速安全[3]。氧化石墨烯的结构如下图：
图1.1 墨烯的结构示意图
与石墨烯结构相似，GO也是二文材料，其表面含有羟基、羧基和环氧基等含氧官能团。理论[4]与实验[5]都证明了单层石墨烯是有史以来力学强度最高的材料，并且有着优异的导热性能[6]。与石墨烯相比，表面包含有机官能团的GO，更能在聚合物基体中分散，并能够与聚合物基体更好的形成相互作用，起到良好的补强效果，有利于在基体中形成导热通路，提高聚合物的导热性能。与同类的炭材料相比，氧化石墨烯制备方便，价格低廉，原料易得，有望成为聚合物纳米复合材料的优质填料。
1.2.2 GO的制备
GO的首次合成可以追溯到1859年的Brodie法[7]，此后又出现了Staudenmaier法[8]，Hummers法[3]等。因当时理论认识的局限，认为二文材料不稳定，因此未能从氧化石墨中发现GO的存在。直到2004年后，随着石墨烯单片在普通环境下的稳定存在被证实，研究人员开始重新审视GO，并对其制备方法进行改良，出现了电化学氧化法[9-10]，以及改进的化学氧化法[11]，从而缩短了反应周期，提高了制备效率。
（1）Hummers法[3]：在冰浴中将10 g鳞片石墨粉5 g无水硝酸钠与230mL的浓硫酸混合均匀，快速搅拌中缓慢加入30 g KMnO4，撤走冰浴，控制反应温度在10-15℃反应2 h，将烧杯置于35℃左右的水浴中，待反应液温度升至35℃±3℃时，继续反应30 min，在快速搅拌的条件下向烧杯中加入460 mL的蒸馏水，控制反应温度在98℃左右，搅拌15 min，用蒸馏水将反应液稀释至1000 mL后再加入3%的过氧化氢至悬浮液成金黄色，趁热过滤，用蒸馏水充分洗涤滤饼，真空干燥，即得氧化石墨。将氧化石墨溶于水和弱碱中，施加一定的外力（如超声波），即可得到剥离的氧化石墨烯。
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