石墨烯分散剂在粉体研磨过程中分散原理与使用方法

石墨烯分散剂提高石墨烯粉体分散的原理
石墨烯粉体粒径越小，表面积越大，表面能越高，配位严重不足，使它在浆料中更容易团聚，即使在研磨时候能做到分散，但是过后将再次团聚，因此湿法研磨分散能否成功得到纳米级的石墨烯粉体是研磨和分散技术的关键。

在石墨烯浆料处理分散性的问题，通过导入石墨烯分散剂，添加到浆料中，将粉体改性，表面形成一层有机包膜，包覆在粉体表面，而且石墨烯分散剂具有特殊的双亲基团，一端与粉体发生化学反应产品缔合，另一端朝外与树脂相互融合，达到分散、解聚还原到原生粒径，从而让石墨烯分散均匀分散到浆料中，而且包覆层是中性的，不受PH值的影响，而避免导致再次团聚。

为了让石墨烯粉体在浆料中充分分散，同时保证悬浮的稳定性，选用具有双亲基团的粉体分散剂作为石墨
烯粉体分散的助剂，双亲基团的原理一个基团被设计来接到纳米粉体表面，对粉体进行包覆，使纳米粉体表面
产生一个稳定相，以避免粉体之再凝聚产生；另一个基团的设计，是纳米级的石墨烯粉体与树脂相互融合，以
避免不兼容之现象发生。

经过实践证明，纳米微粒的分散性问题要从纳米粒子的生产环节去解决，在纳米石墨烯粒子表面进行改性，赋予粒子亲水或亲油╱疏水或疏油性质，以保障在水性或油性介质中具有某种程度的可溶性；另外，选择适当的纳米粒子表面改性剂以确保纳米粒子不能形成硬团聚，而只能以软团聚的形式存在，这样生产出来的石墨烯粉
体质量更高，能广泛应用于锂电池、油墨、还有涂料领域中。

解决石墨烯粉体分散性方法与分散剂的选择石墨烯是目前发现的硬度最大的物质，且有极好的力学性能（1060GPa），其理论比表面积高达2600m2/g，具有突出的导热性能，可高达3000W/(m·K)。

此外，石墨烯还具有良好的导电性。

在室温下，其电子迁移率可高达20000cm2/(V·s)。

石墨烯大的比表面积往往使其团聚在一起，不仅降低了自身的吸附能力而且影响石墨烯自身优异性能的发挥，从而影响了石墨烯增强复合材料性能的改进。

况且，这种团聚是不可逆的，除非施加外力，如超声和强力搅拌，使其均匀分散。

石墨烯在基体中的均匀分散［方法主要包括物理分散及化学分散两大类，这里主要介绍原位聚合法、石墨烯的功能化（共价键功能化和非共价键功能化）、石墨烯改性和其他改性方法等。

1. 1 原位聚合法原位聚合法就是先将纳米粒子在单体中均匀分散，然后再用引发剂引发聚合，使纳米粒子或分子均匀地分散在聚合物基体上并且形成原位分子聚合材料。

原位聚合法也有它的局限性，就是无机纳米材料与所选用的原料必须有较好的相容性，为找到这一种合适的溶剂来同时溶解原料和无机材料，必然会增加研究时间和成本，还会造成环境的污染。

除此之外石墨烯的加入会增大聚合物的黏度，使得聚合反应变得更加的复杂。

1. 2 石墨烯的功能化功能化后的石墨烯能够在基体中均匀分散，有助于石墨烯作为增强体优良性能的发挥。

但是经过共价键功能化的石墨烯也存在一些比较明显的不足。

在对石墨烯进行共价键修饰的同时会破坏石墨烯的本征结构，改变石墨烯本身特有的化学和物理性质。

1. 3 对石墨烯粉体进行改性有稳定苯环结构的石墨烯，它的化学稳定性高，表面呈现出一种惰性的状态，与其他介质之间的相互作用很弱，并且石墨烯的各片层之间存在着很强的分子间作用力，导致片层很容易堆叠在一起，分散开来就比较困难。

1. 4 在石墨烯浆料中添加分散剂随着改性的进一步发展，通过向石墨烯中添加分散剂的方法也逐渐引起了科研工作者的注意和研究。

分散剂提高石墨烯粉体的分散性在防腐涂料领域应用高性能的石墨烯重防腐涂料制备关键技术就是石墨烯的分散问题，但是高比表面积，石墨烯会发生不可逆的团聚现象，甚至重新排列回石墨结构，导致制备石墨烯的稳定分散十分困难，如何提高石墨烯粉体分散性呢？一、石墨烯分散是实现产业化的必经之路石墨烯的分散技术，在石墨烯粉体通过湿法工艺的制备过程中，通过石墨烯分散剂，既不损害石墨烯结构与性能的高效分散方法。

二.石墨烯粉体分散需要解决六大基本问题1.石墨烯分散的挑战性首先源于对石墨烯深度分散的必然要求，将石墨烯分散到单片或初级粒子状态；2.源于石墨烯对通过化学改性实现分散这一手段的低容忍性甚至抵触性；化学改性，势必干扰或一定程度上破坏π-π的完整性，从而降低或失去本征态石墨烯的优异性能；3.源于石墨烯本身既不亲水又不亲油的结构特征；一般的分散剂分子又较难与石墨烯形成较强的物理吸附作用，所以使用表面活性分散石墨烯的物理手段也将受限；4.源于石墨烯的π-π结构和强的范德华力，使石墨烯极易团聚，而且团聚体难以再分开；5.还源于石墨烯极高的长径比和比表面积；6.石墨烯的分散还面临着实际生产操作性方面的难题。

例如，4%浓度的水型石墨烯浆料已是膏态，不具有流动性，这为生产过程中物料传输、分散和化学反应造成了困难。

三、石墨烯分散剂的分散原理石墨烯分散剂集分散、解聚、润湿为一体，能够吸附在石墨烯表面并产生静电斥力使之分散，避免沉降返粗。

在调浆时加入可以使疏水材料均匀分散在水中，提升研磨的效率和质量。

在浆料的研磨过程中加入能迅速降低浆料的粘度，增加分散性、流动性，分散后浆料粘度稳定，不分层，不会二次团聚返粗。

四、石墨烯的分散在重防腐涂料中的应用均匀分散的石墨烯在树脂中分散效果良好，无团聚现象且石墨烯均匀无规则的排列在树脂基体中，研究结果表明，石墨烯分散剂处理后的石墨烯可高效地分散在环氧树脂、聚氨酯树脂等涂料树脂中，明显提高树脂基体的防护性能。

石墨烯分散方法石墨烯具有优良的性能，科研工作者考虑将其作为增强体加入到基体材料中以提高基体材料的性能。

但是，由于其较大的比表面积，再加上片层与片层之间容易产生相互作用，极易出现团聚现象，而且团聚体难以再分开，不仅降低了自身的吸附能力而且阻碍石墨烯自身优异性能的发挥，从而影响了石墨烯增强复合材料性能的改进。

为了得到性能优异的石墨烯增强复合材料，科研工作者在克服石墨烯团聚、使其分散方面做了诸多研究。

分散方法简介如下：1、机械分散发利用剪切或撞击等方式改善石墨烯的分散效果。

吴乐华等以纯净石墨粉为原料，无水乙醇为溶剂，采用湿法球磨配合超声、离心等方式得到石墨烯分散液，通过扫描电镜、透射电镜和拉曼光谱分析均证明石墨烯为几个片层分散。

2、超声分散发利用超声的空化作用，以高能高振荡降低石墨烯的表面能，从而达到改善分散效果的目的。

Umar等将石墨在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中采用低功率超声处理，随着超声时间的延长，石墨烯分散液的浓度随之升高，当超声时间超过462h后，石墨烯分散液浓度能够达到1.2mg/mL，这是由于超声所产生的溶剂与石墨烯之间的能量大于剥离石墨烯片层所需要的能量，进而实现了石墨烯的分散。

3、微波辐射发采用微波加热的方式产生高能高热用以克服石墨烯片层间的范德华力。

Janowska等采用氨水作为溶剂，利用微波辐射处理在氨水中的膨胀石墨以制备石墨烯分散液，透射电镜观测结果表明制得的石墨烯主要为单、双和少层(少于十层)石墨烯，并且能够在氨水中稳定分散，研究证实微波辐射产生的高温能够使氨水部分气化，产生的气压对克服石墨烯片层间的范德华力具有显著的作用。

4、表面改性通过离子液体对膨胀石墨进行表面改性来提高石墨烯的分散性。

这种改性属于物理方法，它能降低改性过程对石墨烯结构和官能团的影响。

经过改性的石墨烯片层粒径小，呈现出褶皱的状态；通过离子液体改性后的石墨烯可以长时间在丙酮溶液中保持均匀的分散状态，并且能够均匀分布在硅橡胶基体中，离子液体链长增加使得样品更加均匀地分散。

石墨烯粉体制备工艺石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶体材料，具有优异的电学、热学、力学和光学性质，因此在电子器件、传感器、储能材料等领域具有广泛的应用前景。

而石墨烯粉体则是将石墨烯制备成粉末状，方便在材料制备过程中添加和掺杂，以改善材料的性能。

本文将介绍几种常见的石墨烯粉体制备工艺。

1. 机械剥离法机械剥离法是一种简单易行的石墨烯粉体制备方法。

其原理是将石墨烯层层剥离，形成石墨烯粉末。

具体操作是将石墨烯样品放置于机械剥离装置中，通过机械剥离的方式将其剥离成石墨烯粉末。

该方法制备的石墨烯粉末质量较高，但制备过程中需要大量的时间和人力，且成本较高。

2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的石墨烯粉体制备方法。

其原理是将石墨烯前体物质在高温下分解，生成石墨烯粉末。

具体操作是将石墨烯前体物质放置于化学气相沉积装置中，通过高温分解的方式制备石墨烯粉末。

该方法制备的石墨烯粉末质量较高，且制备过程简单，但需要高温条件，且前体物质的选择和处理对制备效果有较大影响。

3. 氧化石墨烯还原法氧化石墨烯还原法是一种常用的石墨烯粉体制备方法。

其原理是将氧化石墨烯还原成石墨烯粉末。

具体操作是将氧化石墨烯样品放置于还原剂中，通过还原的方式制备石墨烯粉末。

该方法制备的石墨烯粉末质量较高，且制备过程简单，但需要还原剂的选择和处理对制备效果有较大影响。

4. 水热法水热法是一种常用的石墨烯粉体制备方法。

其原理是将石墨烯前体物质在高温高压水环境中分解，生成石墨烯粉末。

具体操作是将石墨烯前体物质放置于水热反应器中，通过高温高压水环境的作用制备石墨烯粉末。

该方法制备的石墨烯粉末质量较高，且制备过程简单，但需要高温高压条件，且前体物质的选择和处理对制备效果有较大影响。

总之，石墨烯粉体制备工艺有多种，每种方法都有其优缺点和适用范围。

在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的制备方法，以获得高质量的石墨烯粉末。

石墨烯及氧化石墨烯分散方法研究进展石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，具有许多独特的物理和化学特性，如高电导率、高导热性、良好的力学性能等。

由于其丰富的应用潜力，石墨烯的制备和分散成为研究的热点。

本文将介绍石墨烯及氧化石墨烯的制备方法和分散方法的研究进展。

石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学气相沉积法、化学氧化还原法等。

机械剥离法是最早也是最简单的制备方法，通过用胶带或刮刀剥离石墨烯束缚，得到薄层的石墨烯。

但是这种方法制备的石墨烯平均尺寸较小，无法实现大规模制备。

化学气相沉积法是通过在金属基底上热解碳源得到石墨烯薄片，该方法制备的石墨烯尺寸较大，能够实现大规模制备，但需要高温条件，不适合多种基底的制备。

化学氧化还原法是以石墨为原料，通过氧化石墨然后进行还原得到石墨烯，该方法适用性广泛，但还原过程中易产生杂质，对石墨烯的质量产生影响。

石墨烯的分散方法主要有物理分散法、化学修饰法等。

物理分散法主要是利用超声波、浮选、离心等方法将石墨烯分散在溶剂中。

超声波分散是利用超声波的高能量震荡作用使石墨烯薄片分离，并形成均匀分散的溶液。

浮选分散是利用气泡或表面活性剂使石墨烯薄片在溶液中悬浮，然后通过离心沉淀得到分散均匀的石墨烯。

这些方法可以实现石墨烯的分散，但易导致石墨烯受损，降低其性能。

化学修饰法主要是通过在石墨烯表面修饰功能性基团，使其具有亲水性，并且能够与溶剂相溶。

常用的修饰剂有二甲基二硫醇（DMDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）等。

这些修饰剂能够与石墨烯表面发生作用，使其具有较好的分散性。

氧化石墨烯的制备方法主要有Hummers方法、Brodie方法等。

Hummers方法是以石墨为原料，通过硝酸、硫酸等氧化剂进行氧化，得到氧化石墨烯。

Brodie方法是以石墨为原料，通过浓硝酸和浓硫酸进行氧化，然后用稀硝酸洗涤，得到氧化石墨烯。

这些方法能够实现氧化石墨烯的制备，但化学氧化过程中易产生大量的氧化副产物，对石墨烯的质量产生影响。

研磨分散机在石墨烯分散中的应用研究
石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，为世上电阻率最小的材料。

因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、
导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

由于石墨烯实质上是一种透明、良
好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

所以越
来越多的厂家开始研究和生产石墨烯。

IKN也响应这个新兴产业的号召，随之研发出石墨烯高剪切研磨分散机，在
生产石墨烯的过程中，如何将石墨更好的细化，以及细化后团聚问题的解决，
成为的最大的难点。

许多石墨烯厂家原先都采用砂磨机来对石墨烯浆料或者石墨烯溶液进行细化，砂磨机对于物料的细化确实有着自身的优势，但是对于石墨烯这类纳米级物质
却很难研磨，细化后又容易二次团聚，对于石墨烯而言其实不是去硬磨它，而
是更多去剥，一层一层的剥，最终形成单层的石墨烯薄片。

CMD2000系列研磨分散机，可以很好的解决这两个问题。

CMD2000系列的胶体
磨（锥体磨）+分散头的组合，可以先将石墨混合物（配入溶剂和分散剂）剥层细化，然后再经过分散头，进行分散。

这样既可以细化又可以避免团聚的现象，为石墨烯行业提供了强有力的设备力量。

结合多个国内石墨烯知名厂家以及研究所反映，CMD2000系列研磨分散机非常
适合石墨烯浆料、石墨烯溶液的研发与生产，物料粒径D90≤1.2μm。

当然各石墨烯厂家的石墨烯浆料、石墨烯溶液的配比不一样，分散剂的选择也不一样，所以出来的难点也就不一样，只是CMD2OOO研磨分散机在石墨烯的分
散上有着良性的发展，并且是一个比较可行的方法。

由于石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成的平面共轭结构，其片层间存在非常强的π-π作用以及范德华作用力，导致其分散性极差，严重制约了石墨烯的实际应用。

虽然传统的商品表面活性剂（如SDBS、CTAB、Triton-X、Tween 80）、高分子稳定剂（如PVP、PSS、PDDA）等都可以对石墨烯起到一定的分散稳定作用，但往往存在分散剂用量大、石墨烯浓度低等问题。

过多的分散剂用量以及过低的石墨烯浓度均是构建复合材料的不利因素。

因此，开发新型、高效、低成本的分散剂是实现石墨烯规模化应用亟待解决的重要问题。

基于此，复旦大学材料科学系、教育部先进涂料工程研究中心周树学教授团队开展了系列研究工作，开发了两种新型石墨烯分散剂，均在石墨烯复合材料制备中表现出了优异的性能，现将其研究成果做简要介绍。

多氨基阳离子型苝酰亚胺类石墨烯分散剂以一种常用的染料中间体——苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA）为原料，经与系列多乙烯多胺在甲苯中回流反应、甲酸酸化处理得到此类石墨烯分散剂。

该分散剂具有在较低用量下实现石墨烯高浓度分散的特点。

研究发现，PTCDA与三乙烯四胺的反应产物HAPBI-3（图1）对石墨烯具有最佳的分散性能。

HAPBI-3用量仅为石墨烯粉末（XF 001W）质量的1/3，就能得到浓度达到2 mg/mL的分散液。

分散液zata电位值为+28.5 mV，能够长时间稳定存在。

该分散剂对石墨烯的导电性影响很小，与市售商品分散剂相比具有明显的优势（详见Cui J, Zhou S., Journal of Nanoparticle Research, 2017, 19(11): 357. DOI: 10.1007/s11051-017-4047-8）。

图1，分散剂HAPBI-3分子式及2mg/mL石墨烯分散液利用HAPBI-3的阳离子特性，将制备的石墨烯与碳纳米管分散液分别与带负电荷的磺化聚苯乙烯（SPS）微球混合，得到了均匀包覆的SPS@Graphene与SPS@MWCNT核壳型结构微球（图2a）。

石墨烯分散液的作用解释说明以及概述1. 引言1.1 概述石墨烯是由碳原子形成的二维单层结构，具有出色的导电性、导热性和机械性能，且在光学和化学方面具有特殊特性。

然而，石墨烯在大规模应用中面临着困难，主要是因为其极高的结晶度使得其自发地聚集在一起形成堆积物。

为了解决这个问题并扩展其应用领域，人们开始使用石墨烯分散液。

1.2 文章结构本文将首先讨论石墨烯基础知识，包括其结构特点、物理和化学性质以及制备方法。

然后我们会详细介绍石墨烯分散液的定义，并探讨常见的制备方法。

接下来，我们会解释说明石墨烯分散液在分散效果提升、应用领域扩展和功能性增强方面发挥的作用。

最后，我们将概述当前市场情况、未来发展趋势和潜在应用领域，并给出结论。

1.3 目的本文旨在全面了解并解释说明石墨烯分散液的作用。

通过深入探索石墨烯分散液的概念、制备方法和应用，我们将揭示其在改善分散效果、扩展应用领域以及增强功能性方面的潜力。

从而为读者提供对这一新兴材料有更全面认识的基础，并展望其未来发展方向，并为实际应用带来启示。

2. 石墨烯分散液的作用2.1 石墨烯基础知识石墨烯是一种单层厚度仅为一个原子的二维结构材料，由碳原子通过共价键连接而成。

其具有出色的导电性、导热性和机械强度，以及优异的光学性能。

这些特殊属性使得石墨烯成为许多领域的重要材料。

2.2 石墨烯分散液的定义石墨烯分散液是指将石墨烯在溶剂中进行均匀分散形成的液体。

通常情况下，为了将石墨烯有效地应用于各种领域，需要将其从固态转变为可溶解于溶剂中的分散液。

2.3 石墨烯分散液的制备方法制备高质量的石墨烯分散液是一个挑战性任务，因为不同步骤可能会引入不完美和杂质。

一种常用的方法是通过机械剥离法制备高品质的单层或少层厚度的石墨烯，并将其离散化到溶剂中。

另外，还存在其他方法如化学气相沉积法和液相剥离法等。

石墨烯分散液的作用超越了单纯的形态转换，它在许多方面发挥着关键作用。

2.3.1 分散效果提升石墨烯分散液能够在溶胀基体中均匀分散，使得石墨烯具有更大的比表面积和较高的可接触面积。

由于石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成的平面共轭结构，其片层间存在非常强的π-π作用以及范德华作用力，导致其分散性极差，严重制约了石墨烯的实际应用。

虽然传统的商品表面活性剂（如SDBS、CTAB、Triton-X、Tween 80）、高分子稳定剂（如PVP、PSS、PDDA）等都可以对石墨烯起到一定的分散稳定作用，但往往存在分散剂用量大、石墨烯浓度低等问题。

过多的分散剂用量以及过低的石墨烯浓度均是构建复合材料的不利因素。

因此，开发新型、高效、低成本的分散剂是实现石墨烯规模化应用亟待解决的重要问题。

基于此，复旦大学材料科学系、教育部先进涂料工程研究中心周树学教授团队开展了系列研究工作，开发了两种新型石墨烯分散剂，均在石墨烯复合材料制备中表现出了优异的性能，现将其研究成果做简要介绍。

多氨基阳离子型苝酰亚胺类石墨烯分散剂以一种常用的染料中间体——苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA）为原料，经与系列多乙烯多胺在甲苯中回流反应、甲酸酸化处理得到此类石墨烯分散剂。

该分散剂具有在较低用量下实现石墨烯高浓度分散的特点。

研究发现，PTCDA与三乙烯四胺的反应产物HAPBI-3（图1）对石墨烯具有最佳的分散性能。

HAPBI-3用量仅为石墨烯粉末（XF 001W）质量的1/3，就能得到浓度达到2 mg/mL的分散液。

分散液zata电位值为+28.5 mV，能够长时间稳定存在。

该分散剂对石墨烯的导电性影响很小，与市售商品分散剂相比具有明显的优势（详见Cui J, Zhou S., Journal of Nanoparticle Research, 2017, 19(11): 357. DOI: 10.1007/s11051-017-4047-8）。

图1，分散剂HAPBI-3分子式及2mg/mL石墨烯分散液利用HAPBI-3的阳离子特性，将制备的石墨烯与碳纳米管分散液分别与带负电荷的磺化聚苯乙烯（SPS）微球混合，得到了均匀包覆的SPS@Graphene与SPS@MWCNT核壳型结构微球（图2a）。