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石墨烯应用与石墨烯沥青制备工艺研究
2019年06月05日    阅读量:17661    新闻来源:沥道订阅号  |  投稿

石墨烯具有电学性能优异、导热性能强,比表面积超大,断裂强度大和韧性强等性质,以及独特的性能。石墨烯在电力、电子、信息、能源、材料、环保等领域具有广阔的应用潜能,引起了许多不同领域科学家的研究兴趣。石墨烯与沥青结构相似,具有优异的结合性,认定石墨烯优异的性能使得石墨烯沥青能全面提升涂料在线coatingol.com。本文讲述石墨烯的应用潜能,并对石墨烯改性沥青制备工艺研究。

关键词:石墨烯;应用潜力;路用性能;石墨烯沥青;制备工艺


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石墨烯


引言


石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,石墨烯非常稳定,具有多种优异特性, 例如超高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光性、强度、韧性等,是一新型碳纳米材料[1]-[2]。 石墨烯作为新型纳米材料具备非常独特的优异特性,在高分子复合材料、导电涂料、催化剂、超级电容器和水处理材料及生物技术等方面表现出巨大的潜力,近年来引起了广泛关注[3]。在交通与土木工程领域,使用碳纳米材料改性沥青早有先例,石墨烯与沥青结构相似,两 者具有优异的结合性,两者结合产生强大的分 子作用力全面提高石墨烯沥青的路用性能。


1 石墨烯应用


1.1 石墨烯在电气领域应用


锂离子电池因具有电池电压高、比能量大的特点,是目前最受青睐的循环电池。石墨烯是一种独特的纳米材料,具有独特的网络结构、多级孔结构及其优异电学性能,使其可以大幅度提高电池容量,具有广阔的经济前景。


麻省理工学院开发出一种新型柔性、透明的太阳能电池,该电池是通过将单原子厚的石墨烯层沉积到太阳能电池上的新方法得以实现,石墨烯不会损害附近有机材料。透明太阳能电池的开发商通常依靠昂贵的脆性电极,当器件弯曲时,电极易于破裂。石墨烯的使用可以使真正柔性、低成本、透明的太阳能电池成为可能。


宁波材料所动力锂电池工程实验室为了满足不断发展的智能电网、移动通讯、电动汽车等需要,研制出基于石墨烯空气阴极的千瓦级铝空气电池发电系统,其能量密度高达、容量、输出功率均显著提升,石墨烯在电池领域的发展潜力巨大。


沿海城市与工业密集区,工业废气与沿海空气对国家电网输电铁的表面镀锌层有严重的腐蚀效果,严重危害电力行业的输电安全。石墨烯用于防腐蚀涂层,取得了非常显著的效果。石墨烯与有机材料复合,形成功能化的石墨烯聚合物复合材料,解决问题:


(1) 电缆导体部分的导电能力与工作强度不一致;


(2)电缆线的外层导热性不良,易造成安全隐患,引发电网安全事故;


(3)提高直流储能设备的容量与工作强度,为建立清洁高效的电力行业做出贡献。


1.2 石墨烯在公路领域应用潜能


在交通行业和土木工程领域,目前对石墨烯功能型复合材料的研究主要集中于水泥基材料和碳纤维。石墨烯作为二维纳米碳材料,具有许多优异独特的性能,将其应用到沥青路面,在石墨烯理想的分情况下,制备出高品质石墨烯沥青,可减少沥青路面早期破坏, 提高沥青路面质量,延长沥青路面使用寿命, 石墨烯沥青的路用性能潜力令人遐想。


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在交通流量巨大的情况下,产生的交通拥堵与道路交通设施用电问题,一直以来是道路交通的难题,为有助于推动我国智慧交通建设,颠覆传统道路的服役性能,设想将石墨烯掺入混凝土,使混凝土具有导电性能并外接输电设备,将车辆对路面的压力转化为电能,通过外接输电设备输出并储存。将交通拥堵这一不利因素转化为利于社会经济发展的因素,若这一设想得以实现,石墨烯道路可以作为新能源汽车的移动充电源,铺在道路上的清洁能源发电厂,能有效解决道路交通设施用电问题,其次是可以为道路所在的区域供电,减轻电力行业在用电高峰期的压力。石墨烯道路产生的清洁能源将引起人类能源资源的变革,其未来的发展潜力巨大。


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2 石墨烯改性沥青制备工艺研究


2.1 石墨烯分散存在的问题


石墨烯单一的完整六元环结构,使得石墨烯分子间存在很强的分子间作用力,各片层很容易堆叠在一起出现团聚现象。石墨烯表面呈稳定态惰性,使其难溶解于基础溶剂,极难与其他材料进行功能性复合,这也成为了石墨烯应用的巨大难题。


2.2 针对分散问题的对策


优选使石墨烯分散效果较好的材料,称之为表面活性剂,以表面活性剂为媒介将石墨烯分散于基础溶剂,提升石墨烯的分散效果。针对不同的表面活性剂与基础溶剂,对应的石墨烯最佳分散量也不同。使用荧光显微镜、紫外可见分光度光度计等仪器,确定表面活性剂对应的最佳石墨烯掺量。


分散均匀的石墨烯掺入基质沥青,需要将石墨烯与沥青进行插层作用,体现石墨烯巨大的比表面积所带来的物理吸附能力,石墨烯与沥青混合物在超声仪的空化作用、声流作用与乳化沥青高速剪切机均匀分散作用的作用下, 才能产生插层作用,全面提升沥青路用性能。


2.3 制备工艺研究


制备工艺研究,使用乳化沥青高速剪切机、超声波细胞破碎仪,对基质沥青与石墨烯的混合物进行处理。使用运用均匀设计方法, 以沥青处理量,剪切时间、转数,剪切时沥青温度,强超声的时间、功率,石墨烯掺量、表面活性剂与基础溶剂掺量为主要影响因素,以三大指标、抗车辙因子、蠕变恢复率为响应值,利用DPS 和 1stOpt 数理统计软件建立模型,得出制备石墨烯改性沥青的配合比,制备工艺参数。


3 结语


(1) 石墨烯拥有诸多优异独特的特性,在理论研究与工业应用方面,石墨烯、石墨烯复 合材料、石墨烯衍生物都展示了巨大的研究和 应用价值。现阶段石墨烯制备方法的生产效率 较低,严重阻碍石墨烯的研究与工业应用。


(2) 石墨烯与沥青具有优异的结合性, 结合石墨烯优异的性能,石墨烯沥青具有重大研究价值。


标签:原材料行业资讯石墨烯
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