石墨烯（ Ｇｒａｐｈｅｎｅ ）是一种呈蜂巢晶格状的单

层二维碳质材料 ，独特的二维晶体结构赋予石墨

烯诸多优良特性，它是迄今为止世界上发现的最

薄、最坚硬，电阻率最小的二维材料，几乎完全透

明，具有优异的力学、热学、电学性能。已在能源材料、电子工程、传感器、航天材料、废水处理、太阳能电池、防腐涂料等领域展现出了巨大的前景。

下面对石墨烯的制备和功能化改性方法作出

简单介绍，重点对石墨烯／高聚物复合材料的制备

方法和主要应用进行综述，并对该领域的发展前景

进行展望。

简介

制备方法

 目前石墨烯主要的制备方法有机械剥离法、溶剂 剥 离 法、化学气象沉浸法、氧化还原法、外延生长法，各有优缺点

 石墨烯主要制备方法及优缺点

机械剥离法

　 工艺简单，成本低，产品质量高 　 产率低，难以精确控制，很难实现工业规模化生产

溶剂剥离法

　 易于操作，产品结构完整、质量高 　 产率很低，易于团聚

化学气相沉积法

　 工艺简单，产品质量高，可规模化生产 　 成本较高，工艺有待进一步优化

氧化 － 还原法

　 工艺条件温和，产率高，成本较低，产品

分散性好，利于工业化生产

　 产品结构存在缺陷，容易造成环境污染

外延生长法

　 产品具有优异的导电能力 　 工艺条件苛刻，产品质量不均匀且产于分离，电化学性质

不易控制，难以规模化生产

石墨烯的功能化改性

　　 石墨烯具有很强的化学稳定性和表面惰性，会

因强烈的吸附作用而产生团聚 ，在实际应用中，有必要通过共价键修饰、非共价键修饰等方法，对石墨烯进行功能化改性，提高其分散性能，使其能与高聚物基体更好的相互作用。

                         　 共价键修饰

共价键修饰是首先将石墨烯氧化，引入羟基、羧基等含氧官能团，制得氧化石墨烯，然后再利用这些含氧官能团与其他分子进行异氰酸酯化、重氮化、环加成等化学反应，对石墨烯进行表面修饰。该方法可赋予石墨烯新的功能，但是会破坏石墨烯的本体结构，改变其物理和化学性质。时镜镜等  ，通过 Ｈｕｍｍｅｒｓ法制得氧化石墨烯，再与 γ － 甲基丙烯酰氧丙基三甲基硅烷反应，最后用水合肼还原，制备的功能化石墨烯，能稳定分散在体积比为９∶１的乙醇／水、丙酮／水混合溶剂中。

　 非共价键修饰

π － π 键、离子键、氢键等非共价键形式也常用于石墨烯的表面修饰。该方法工艺简单，不会破坏和改变石墨烯的本体结构和性质，但作用力较弱、稳定性差，表征难度大。李晓等  ，经超声振荡，将盐酸阿霉素负载在氧化石墨烯上，检测发现，盐酸阿霉素与氧化石墨

之间以氢键方式结合。，在星型聚丙烯腈的 Ｎ ，Ｎ － 二甲基甲酰胺溶液中用水合肼还原氧化石墨烯，得到均匀稳定 的 溶 液，三 亚 苯 结 构 和 石 墨 烯 以 π － π 键 相结合。

石墨烯／高聚物复合材料的制备方法

原位聚合法

原位聚合法是首先将高聚物单体溶液与石墨烯（或氧化石墨烯）胶状分散液预混合，将单体分子插入氧化石墨烯层间，然后用引发剂引发聚合，反应液经进一步处理后得到复合材料。该方法可使填料在高聚物基体中均匀分散，且两者之间有较大

的相互作用力，但反应体系黏度会大幅增加，难以操控，后续成型加工比较困难。陈琛等 ，通过原位聚合法制备的氧化石墨烯／聚甲基丙烯酸甲酯复合乳液，减摩抗摩性能优良，当氧化石墨烯质量分数为１％时，摩擦系数减小了８５．５％ ，磨损率减小了６２．３％ 。

 溶液混合法

溶液混合法是首先将石墨烯（或氧化石墨烯）充分溶解于合适的有机溶剂中，制得悬浮液，然后加入高聚物基体，剧烈搅拌或超声处理，使其充分溶解，高聚物在剥离的石墨烯片层上产生吸附，然后通过抽滤、非溶剂沉淀等方法将溶剂去除，高聚物可插层至石墨烯片层间，得到复合材料。该方法

的核心问题是如何快速有效地去除溶剂。

蒋一鸣等 通过溶液混合插层法制备的氧化石墨烯／氰酸酯树脂复合材料，当氧化石墨烯质量分数为树脂基体 １％ 时，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别为 ８２．９ ， １４８．６ ＭＰａ 和 １２．９ｋＪ／ ｍ

２ ，１　０００℃时的残炭率达４５．１％ 。３．３熔融混合熔融共混法是首先将高聚物加热熔融，再加入石墨烯（或氧化石墨烯、功能化石墨烯），充分混合

后，在熔融状态下，通过高压挤出成型或注塑等机

械方法得到复合材料，该方法工艺简单，无需使用

有机溶剂，适合工业化生产，但过高的混合温度使

石墨烯在高聚物基体中的分散程度远低于原位聚

合和溶液混合法。

甄卫军等 ［

２０ ］ ，通过熔融共混法制备的氧化石

墨烯／聚乳酸复合材料，氧化石墨烯呈现剥离状，在

聚乳酸基体中均匀分散，提高了聚乳酸的断裂伸长

率，消除了聚乳酸基体的冷结晶。

石墨烯／高聚物复合材料

　　 目前研究较多的主要有石墨烯／烯烃及其衍生物复合材料和石墨烯／氨基聚合物复合材料。王明等  ，通过溶液共混法制备的氧化石墨烯／聚氯乙烯复合薄膜，当氧化石墨烯质量分数为０．６％时，拉伸强度可提高１２５％ ，杨氏模量可提高１２６％ ，起始分解温度、最大分解温度和成碳量均有所提高。Ｈｕ等 ，采用原位乳液聚合法制备的石墨烯／聚苯乙烯复合材料，热稳定性比纯聚苯乙烯提

高了１００℃ ，当石墨烯质量分数为２．０％时，电导

率比纯聚苯乙烯大幅提高，达２．９×１０－２　 Ｓ／ ｍ Ｙｏｏｎ等  ，用十八胺功能化氧化石墨烯（Ｇｏ －ｇ － ＯＤＡ ）为填料，通过熔融共混法制备的聚丙烯／Ｇｏ － ｇ － ＯＤＡ复合材料，当 Ｇｏ － ｇ － ＯＤＡ 质量分数从０增加到 １．２％ 时，拉伸强度从 ３２ ＭＰａ 提高至

５０ＭＰａ ，断裂伸长率从５１０％ 增加至５３５％ 。

黄伟九等 聚酰亚胺复合材料，当石墨烯质量分数为１．０％时，拉伸强度和断裂伸长率达到最大，比纯聚酰亚

胺提高１４９％ 和 ６５２％ ，同时摩擦系数和磨损率显

著降低。采用电化学法制备的石墨烯／聚

苯胺复 合 材 料，保 持 了 石 墨 烯 的 基 本 形 貌，在

５００ｍＡ ／ ｇ 的电流密度下的比电容达到３５２Ｆ ／ ｇ ，经过 １　０００次充放电后容量保持率达 ９０％ ，远大于石墨烯和聚苯胺单体的比电容。

石墨烯／高聚物复合材料的应用

　　 目前关于石墨烯（及其衍生物）／高聚物复合材料应用方面的研究已涉及阻燃材料、电磁屏蔽材料、超级电容器、复合导电材料、防紫外线材料、复合气凝胶、形状记忆材料等领域。王立娜等 ，采用直接共混法制备的氧化石墨烯／酚醛树脂复合材料，热稳定性良好，在８００℃时

的残炭率比纯酚醛树脂高９％ ，有望用于阻燃材料。

Ｚｈａｎｇ 等 ，采用熔融共混法制备的石墨烯／

聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料，电导率最大可达

２．１１Ｓ ／ ｍ ，完全满足电磁屏蔽材料的要求。

Ｋｏｎｗｅｒ等  ，采用原位聚合法制备的氧化石

墨 烯／聚 吡 咯 复 合 材 料，直 流 电 导 率 高 达

７５．８Ｓ ／ ｍ ，当电流为２ｍＡ ，电压为 ０～０．５Ｖ 时，比电 容 达 到 ４２１．４ Ｆ ／ ｇ ，有 望 用 于 超 级 电 容 器材料。Ｌｉａｏ等  ，采用溶液混合法制备的具有低渗透阀值的复合材料———石墨烯／丙烯酸基聚氨酯，当石墨烯质量分数为０．１５％时，可形成导电网络，且热稳定性良好，可用作复合导电材料。Ｄｅ　Ｍｏｒａｅｓ等  ，制备的氧化石墨烯／醋酸纤

维素复合膜材料，当氧化石墨烯质量分数为０．５％

时，对紫外线的屏蔽度可达５７％ ，有望用作食品、

药物的包装材料。 通过氢键结合制备的形状记忆材

料———石墨烯／聚氨酯纤维复合材料，在４周期循

环内，形状固定性高达９８％ ，形状恢复率达９４％ ，

滞后损失仅为０．５％～２．０％ 。

展望

 虽然石墨烯／高聚物复合材料的研究取得了诸多成果，但整体上还处于起步阶段，未来研究的重点，一是改进石墨烯现有制备方法，同时研究开发新的制备方法，早日实现规模化生产结构完整、质量稳定的石墨烯；二是研究和开发新的功能化改性方法，在不破坏石墨烯化学结构的基础上，实现官能团数量、位置的精确控制；三是从微观层面研究

石墨烯（及其衍生物）对高聚物结构、性能的影响，实现石墨烯在高聚物基体中高度均匀分散，最大程度改善高聚物的性能。总而言之，关于石墨烯／高聚物复合材料的相关研究尚有巨大的空间，相信在诸多学科领域研究者的共同努力下，在石墨烯的制备和功能化改性以及石墨烯／高聚物复合材料的种类、性能改善、应用等方面必有突破性进展，必将产生各方面性能更加优越的石墨烯／高聚物复合材料，从而进一步拓宽其实际应用领域。