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氧化石墨烯薄片是石墨粉末經(jīng)化學氧化及剝離后的產(chǎn)物、氧化石墨烯是單一的原子層、可以隨時在橫向尺寸上擴展到數(shù)十微米、因此、其結(jié)構(gòu)跨越了一般化學和材料科學的典型尺度。氧化石墨烯可視為一種非傳統(tǒng)型態(tài)的軟性材料、具有聚合物、膠體、薄膜、以及兩性分子的特性。氧化石墨烯長久以來被視為親水性物質(zhì)、因為其在水中具有優(yōu)越的分散性、但是、相關實驗結(jié)果顯示、氧化石墨烯實際上具有兩親性、從石墨烯薄片邊緣到中央呈現(xiàn)親水至疏水的性質(zhì)分布。因此、氧化石墨烯可如同界面活性劑一般存在界面、并降低界面間的能量經(jīng)過氧化處理后、氧化石墨仍保持石墨的層狀結(jié)構(gòu)、但在每一層的石墨烯單片上引入了許多氧基功能團。這些氧基功能團的引入使得單一的石墨烯結(jié)構(gòu)變得復雜。鑒于氧化石墨烯在石墨烯材料領域中的地位、許多科學家試圖對氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)進行詳細和準確的描述、以便有利于石墨烯材料的進一步研究、雖然已經(jīng)利用了計算機模擬、拉曼光譜、核磁共振等手段對其結(jié)構(gòu)進行分析、但由于種種原因(不同的制備方法、實驗條件的差異以及不同的石墨來源對氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)都有一定的影響)、氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)還無法得到確定。大家普遍接受的結(jié)構(gòu)模型是在氧化石墨烯單片上隨機分布著羥基和環(huán)氧基、而在單片的邊緣則引入了羧基和羰基。
氧化石墨烯一般由石墨經(jīng)強酸氧化而得。主要有三種制備氧化石墨的方法：Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法的制備過程的時效性相對較好而且制備過程中也比較安全、是目前常用的一種。它采用濃硫酸中的高錳酸鉀與石墨粉末經(jīng)氧化反應之后、得到棕色的在邊緣有衍生羧酸基及在平面上主要為酚羥基和環(huán)氧基團的石墨薄片、此石墨薄片層可以經(jīng)超聲或高剪切劇烈攪拌剝離為氧化石墨烯、并在水中形成穩(wěn)定、淺棕黃色的單層氧化石墨烯懸浮液。由于共軛網(wǎng)絡受到嚴重的官能化、氧化石墨烯薄片具有絕緣的特質(zhì)。經(jīng)還原處理可進行部分還原、得到化學修飾的石墨烯薄片。雖然后得到的石墨烯產(chǎn)物或還原氧化石墨烯都具有較多的缺陷、導致其導電性不如原始的石墨烯、不過這個氧化剝離還原的制程可有效地讓不可溶的石墨粉末在水中變得可加工、提供制作還原氧化石墨烯的途徑。而且其簡易的制程及其溶液可加工性、考慮量產(chǎn)的工業(yè)制程中、上述工藝已成為制造石墨烯相關材料及組件的極具吸引力的工藝過程。
時至、制備氧化石墨烯新方法已經(jīng)層出不窮了、大體上分為自頂向下方法和自底向上方法兩大類。前者的思路是拆分鱗片石墨等制備氧化石墨烯、以傳統(tǒng)三方法的改進方法為代表、還包括拆分(破開)碳納米管的方法等等。后者是用各種碳源合成的方法、具體方法五花八門、種類繁多。
材料應用范圍很廣。氧化石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型碳材料、具有較高的比表面積和表面豐富的官能團。氧化石墨烯復合材料包括聚合物類復合材料以及無機物類復合材料更是具有廣泛的應用領域、因此氧化石墨烯的表面改性成為另一個研究重點。
中國科學院上海應用物理研究所發(fā)現(xiàn)將氧化石墨烯應用于PCR技術中、可顯著提高PCR的特異性、靈敏度和擴增產(chǎn)量、并可消除擴增中形成的引物二聚體、且優(yōu)化區(qū)間廣、可廣泛適用于各種濃度和復雜程度的DNA模板。與其他已應用于PCR技術中的碳納米材料相比、氧化石墨烯對PCR的優(yōu)化具有更加優(yōu)異的綜合效果氧化石墨烯
與其它吸附劑相比、膨脹石墨有許多優(yōu)點。如采用活性炭進行水上除油、它吸附油后會下沉、且不易再生利用；還有一些吸附劑、如棉花、草灰、聚丙烯纖維、珍珠巖、蛭石等、它們在吸油的這給后處理帶來困難；膨脹石墨對油類的吸附量大、吸油后浮于水面、易捕撈回收、再生利用處理擠壓、離心分離、振動、溶劑清洗、燃燒、加熱萃取等法、且不會形成二次污染。
工業(yè)上將石墨礦石分為晶質(zhì)(鱗片狀)石墨礦石和穩(wěn)晶質(zhì)(土狀)石墨礦石兩大類。晶質(zhì)石墨礦石又可分為鱗片狀和致密狀兩種。
中國石墨礦石以鱗片狀晶質(zhì)類型為主、其次為隱晶質(zhì)類型、致密狀晶質(zhì)石墨只見于新疆托克布拉等個別礦床中、工業(yè)價值不大。
鱗片狀石墨礦石結(jié)晶較好、晶體粒徑大于1μm、一般為0.05～1.5mm、大的可達5～10mm、多呈集合體。礦石品位較低、一般為3～13.5%。伴生的礦物有云母、長石、石英、透閃石、透輝石、石榴石和少量硫鐵礦、方解石等、有時還伴有金紅石、釩云母等有用組分。鱗片石墨礦石按其所賦存巖石的巖性不同、分片麻巖型、片巖型、透輝巖型、變粒巖型、混合巖型、大理巖型及花崗巖型等七種、前六種礦石類型產(chǎn)于區(qū)域變質(zhì)成因礦床中、后一種礦石類型則產(chǎn)于巖漿熱液成因礦床中。
穩(wěn)晶質(zhì)石墨礦石一般呈微晶集合體、晶體粒徑小于1μm、只有在電子顯微鏡下才能觀察到其晶形。礦石呈灰黑色、鋼灰色、一般光澤暗淡、具有致密塊狀、土狀及層狀、頁片狀構(gòu)造。隱晶石墨的工藝性能不如鱗片狀石墨、工業(yè)應用范圍也較小、礦石品位一般都較高、但礦石可選性差。礦物成分以石墨為主、伴生有紅柱石、水云母、絹云母及少量黃鐵礦、電氣石、褐鐵礦、方解石等。品位一般為60～80%、灰分為15～22%、揮發(fā)分為1～2%、水分為2～7%。
隨著世界工業(yè)正在突飛猛進的向前發(fā)展、石墨已被國內(nèi)外視為重要的工業(yè)礦物原料之一、特別是近幾年、科學技術的發(fā)展、石墨制品已在各行各業(yè)發(fā)揮著重要作用。
石墨制品保持了鱗片石墨原有的化學特性即耐酸性、抗腐蝕和物理特性即耐高溫3000℃耐低溫-204℃、它的抗壓強度大于800kg/Cm2、而且抗氧化、在450℃空氣中失重1%、回彈率為15-50%(密度1.1-1.5)。還具有很強的自潤滑性能。因此石墨制品已被廣泛的應用在冶金、化工、石油化工、高能物理、航天、電子等方面。
利用石墨的特性、人們已經(jīng)根據(jù)工程的需要又靈巧的制成了不同類型的制品：如高純石墨制品、柔性石墨制品、復合石墨制品等等。為了提高使用性能還將石墨與纖維(包括合成纖維)、金屬絲、金屬網(wǎng)、金屬加工板在一起制成復合石墨制品、而大大的增加了它的強度及彈性。復合石墨制品主要是與樹脂類、合成橡膠、塑料(聚四氟材料、乙烯、丙烯等)冷壓或熱合兩種、還有液體石墨制品(即石墨乳等)及半液體石墨制品(即石墨潤滑脂等)。石墨制品在廣闊的領域里發(fā)揮著它密封、耐溫、耐腐蝕、導電、保溫、抗壓、耐磨、抗氧化等重要作用、已引起國內(nèi)外專家的普遍重視。當然石墨制品也在悄悄的進入現(xiàn)代化辦公用品中、如江西一家檔案用品廠利用石墨膨脹加工成一定吸附藥品能力的可保持一年不失藥性的防蟲圓片。還有北墅石墨礦生產(chǎn)的石墨潤滑帶、為國內(nèi)木材加工行業(yè)解決了砂光機(多半是進口砂光機)配件的急需難題、填補了國內(nèi)同類產(chǎn)品的空白?？傊破芬延鷣碛桓鱾€工業(yè)部門所利用、石墨制品的市場是遠大而廣泛的。
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