[论文解读] Polymer-stabilized graphene dispersions at high concentrations in organic solvents for nanocomposite production

Ahmed S. Wajid, Sriya Das+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2011

Graphene research and applications参考文献 3被引用 6

一句话总结

本研究提出一种使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的聚合物稳定方法，实现了在多种有机溶剂中高浓度、高稳定性的原始石墨烯分散。该技术通过优异的分散性和载荷传递，使纳米复合材料的热学、力学和电学性能显著增强。

ABSTRACT

We demonstrate a simple and effective technique for dispersing pristine (unfunctionalized) graphene at high concentrations in a wide range of organic solvents by use of a stabilizing polymer (polyvinylpyrrolidone, PVP). These polymer-stabilized graphene dispersions are shown to be highly stable and readily redispersible even after freeze-drying. This technique yields significantly higher graphene concentrations as compared to prior studies. Excellent enhancement in thermal conductivity of the fluid by addition of pristine graphene is also demonstrated. These well-dispersed pristine graphene sheets were then used as a strong and conductive nano-filler for polymer nanocomposites. PVP/graphene nanocomposites were produced via bulk polymerization of N-vinylpyrrolidone loaded with dispersed graphene, resulting in excellent load transfer and improved mechanical and electrical properties.

研究动机与目标

• 开发一种在不进行化学改性的前提下，将原始、未功能化的石墨烯在有机溶剂中实现高浓度分散的方法。
• 克服石墨烯在非水介质中易聚集的问题，从而解决其在纳米复合材料制备中的应用限制。
• 通过良好分散的石墨烯作为纳米填料，实现高性能聚合物纳米复合材料的制备。
• 展示基于这些分散液制备的纳米复合材料在热导率以及力学和电学性能方面的显著提升。
• 在冷冻干燥后实现可再分散性，确保该方法在工业应用中的可加工性和可扩展性。

提出的方法

• 采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为 steric 稳定剂，防止石墨烯在多种有机溶剂中聚集。
• 通过超声处理和机械搅拌，将原始石墨烯在含PVP的有机溶剂中进行剥离和分散。
• 通过优化PVP与石墨烯的比例及溶剂选择，实现高浓度石墨烯分散。
• 通过N-乙烯基吡咯烷酮的体聚合反应，制备PVP/石墨烯纳米复合材料。
• 利用紫外-可见光谱和动态光散射技术表征分散液的稳定性。
• 评估所得纳米复合材料的热导率、力学强度和电导率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不进行化学功能化的情况下，能否在有机溶剂中有效实现原始石墨烯的高浓度分散？
• RQ2 PVP稳定作用如何影响石墨烯在冷冻干燥后的胶体稳定性和可再分散性？
• RQ3 将原始石墨烯添加到流体基质中，能在多大程度上提升其热导率？
• RQ4 石墨烯填料在聚合物纳米复合材料中，对载荷传递及力学和电学性能的提升效果如何？
• RQ5 该分散方法是否可推广至多种有机溶剂，以实现纳米复合材料的可扩展生产？

主要发现

• PVP稳定的石墨烯分散液在多种有机溶vents中实现的石墨烯浓度显著高于以往报道的方法。
• 分散液表现出优异的胶体稳定性，且在冷冻干燥后仍可再分散，表明其具有强稳定作用。
• 将原始石墨烯添加到流体基质中，显著提升了热导率，且提升效果明显且优异。
• 通过N-乙烯基吡咯烷酮与PVP稳定的石墨烯进行体聚合反应，制备的纳米复合材料在力学和电学性能方面均得到改善。
• PVP/石墨烯纳米复合材料表现出有效的载荷传递，表明聚合物基体与石墨烯填料之间具有强界面相互作用。
• 该方法可在不进行共价功能化的情况下，实现高性能纳米复合材料的可扩展生产。