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摘要：石墨烯作为一种碳原子形成的种二维结构蜂窝状材料，因其拥有良好的光学性能、导电性能，优异的机械性能和导热性能，而成为改性高分子的一种理想材料。鉴于此，本文首先对石墨烯材料进行了介绍和概述，然后，对石墨烯改性高分子的两种方式进行了较为详细的分析，最后，对石墨烯改性后高分子材料在当前社会中各个不同领域的应用进行了综述和分析。
关键词：高分子材料；石墨烯；改性；研究进展
1.引言
石墨烯作为一种由碳原子通过共价键形成的一种二维结构蜂窝状材料，是形成石墨材料最基本单元。其厚度大小仅为0.3354nm，为当前所发现二维最薄的材料，因其具有良好的电学性能、机械性能、导热性能，而具有十分广阔的潜在应用前景。同时，石墨烯还用作为改性剂，应用于高分子材料的改性当中，但由于石墨烯是一种仅由碳原子构成化合物，其片层存在的静电作用，使得其溶解性较差，因此，为了提高石墨烯溶解性能，就必需对其进行改性。
2.石墨烯概述
石墨烯是一种单纯以碳原子形成的六边形呈蜂窝结构片层二维结构。其中每一碳原子均有四个价电子，其中三个分别与其周围的三个碳原子通过σ键相连，而剩余的一个价电子，则分别通过“肩并肩”的方式形成了一个离域的大π键，这样就使得每一碳原子均为sp2杂化轨道，这种独特的结构使其拥有良好的光学性能、导电性能，优异的机械性能和导热性能。同时，其还具有良好的折叠性能和延展性能，当其受到外力作用时，其上的碳原子无需重新排列而实现自动适应外力的变化，当石墨烯被弯曲折叠后伸展，其仍具有良好的导电性能。此外，单层结构的石墨烯，所拥有的比表面积特别高（约为2630m2/g），杨氏模量较大（约为1100GPa），可见光的透光性优异（达到97.7%）。由于石墨烯独特的物理化学性能，使得其自2004年首次被发现以来，就一直成为多个学科领域当中研究的热点。
3.石墨烯改性高分子材料方式
石墨烯因具有良好的物理和化学性能，其可以作为组装材料与高分子材料进行复核。但是在采用石墨烯改性的过程中，因石墨烯与其它介质间的作用力较弱，片层间的范德华力较高，比表面积大，容易发出团聚，因而与其它介质的相溶性能较差，因此，需通过改性的方式，在石墨烯中引入一些功能化的官能团，从而赋予其新性能，扩展其应用范围。
3.1 共价键改性方式
石墨烯的共价键改性就是利用石墨烯缺陷处存在较高的反应活性，该部位处可与其它官能团通过形成共价键方式来实现其功能化。Fu等人[11]通过氧化石墨烯中活性基团与金属有机骨架的反应，实现了稳定性良好的电化学传感的制备，而该产品在电子屏幕上显示出良好的应用价值。时镜镜等人首先利用Hummers法制备获得氧化石墨烯，然后，再使用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷对其进行了改性，最后，在通过还原方式获得了功能性的石墨烯，结果测试发现，所制备的功能化石墨烯可以较好的分散与丙酮、乙醇与水形成的混合物当中。在石墨烯的共价键改性中，还可以使用聚合物作为改性剂，通过共价反应将长链的聚合物接枝到石墨烯上，从而可有效的改善石墨烯的性能和结构。Gao等人采用一锅法，实现了氧化石墨烯与尼龙-6偶联反应，测试结果发现，尼龙-6上的最高接枝量可达78wt%，这可以使得改性后的石墨烯被均匀的分散与PA6当中，同时，通过进一步研究，还可以将其纺制成纤维产品，且该产品的拉伸和韧性十分的优异。
3.2 非共价键改性方式
石墨烯的非共价键改性就是通过氢键、离子键或π-π键的相互作用，来提高石墨烯的分散性。由于非共价键的功能化过程中并不会将石墨烯的结构给破坏，这样就可以使得石墨烯能够更好的发挥其自身性能。
依据石墨烯中含有π-π共轭体系，其容易和其它含有共轭结构的聚合物或分子，发生相应的相互作用。Shi等人使用了石墨烯作为改性剂，对芘丁酸实施了非共价键功能化的改性，利用这两类物质π键之间的相互作用，从而可以使得石墨烯能稳定分散在芘丁酸当中，并经过抽滤后获得了一种柔性的石墨烯膜，测试结果发现，该功能化后的石墨烯薄膜的电导率达到了2×102S/m。利用氧化石墨烯中强极性结构的存在，可以通过氢键作用实现其功能化的改性。
4.石墨烯改性高分子材料的应用
4.1在生物传感方面应用
被羟基化以后的石墨烯，因其生物相容性良好，而使得其在柔性电子显示屏、生物医药等众多领域均具有良好的应用前景，作为当前迅速发展的一个方向，生物传感在环境控制、医疗保健和加工食品方面应用相对较为普遍，Sobolewski等人通过石墨烯对高分子材料基质（典型的有聚吡咯、聚苯胺、聚乙烯亚胺、脱乙酰壳多糖等）的改性，通过石墨烯独特的性能，提高改性后高分子材料所具有的电学方面的性能，从而获得精密度高，性能良好的生物传感器，并将其应用于各种生物探测当中，测试的结果表明，该制备的传感器的性能优异。徐运妹等人依据氧化石墨烯的比表面积大且其电学性能优异的特征，将其应用在DNA生物传感器的制备上，制备得到了性能良好的DNA/GO/GCE复合电极，同时，还将其应用于对苯酚含量的测定。
4.2在电子器件方面应用
石墨性因其电学性能优异，而在电子元器件领域拥有较大应用价值，其中石墨烯改性后的高分子材料可以用作为不同电子设备用的包装材料。而且随着科学技术的不断发展，尤其是通信技术的高速发展，电磁波污染正变得越来越严重。大量电磁波的存在可能会对电子设备的使用寿命，使用性能和寿命存在极大影响，因此，研发出一些能消除电磁波对电子设备污染的一些材料就显得十分必要。尤其值得注意的是，随着当前电子器件小型化和集成化趋势的增加，使得电子器件热流密度不断增加，这也就相应的要求其封装材料同时具有较高热导率，相对于金属和陶瓷而言，高分子材料虽然成本低，易加工，但因其导热性差，而无法适用于该领域，但若通过石墨烯的改性，可有效的提高其导热性能。
4.3在涂料方面应用
当前，传统的涂装材料早已无法适应社会需求，因此，开发一些新型的涂装材料就显得十分的必要。近些年来，因石墨烯的物理化学性能优异，将其应用到高分子材料的改性当中，能取到补强和辅助的作用，可有效的提升高分子材料抗磨性能，提高其相应使用寿命。梁宇等人为了克服环氧富锌这种传统涂料存在环保性不佳，力学性能不好的问题，依据石墨烯具有独特二维片层结构的特征，选其作为改性及，可将涂层的防腐性能显著增强，同时其施工性能和力学性能也得到较大提升，从而使得该涂料可以被广泛的应用于桥梁、海工设备和船舶的制造当中。
5.总结
石墨烯因其性能独特，而成为当前研究中热点材料。采用该材料对高分子材料进行改性，可有效克服高分子材料存在的不足，从当前情况上看，石墨烯改性后高分子材料早已获得了大量的研究，且已被广泛的应用于众多的领域当中，但是，石墨烯材料的应用价值还并未被完全开发出来，这有待于后续进一步研究。
参考文献
[1]任翔宇,陈惠,林祥宝,等.茶多酚改性石墨烯增强高分子复合材料的制备与性能研究[J].现代化工,2020,40(06):138-144.
[2]韩雨阳,杨建军.石墨烯改性高分子材料进展[J].化学推进剂与高分子材料,2020,18(02):5-9.
[3]张靖宇. 石墨烯与天然高分子复合吸附剂的制备及在印染中的应用[D].河北科技大学,2019.
[4]余吕宏.石墨烯改性抗静电材料的研究进展[J].科技风,2019(33):151.