除了復(fù)合纖維之外，氧化石墨烯液晶可以紡絲，這一屬性對(duì)于研究石墨烯的專家來說可謂打開了材料制造的新通路。

氧化石墨烯要做成最終應(yīng)用需要打通“料、材、器、用”這幾個(gè)關(guān)節(jié)

石墨烯因其近乎“完美”的單層碳原子蜂窩狀二維晶體結(jié)構(gòu)而被譽(yù)為“新材料之王”，不過，帶有含氧官能團(tuán)的氧化石墨烯可就沒那么幸運(yùn)了。拿浙江大學(xué)特聘教授高超的話來說，氧化石墨烯“背負(fù)著不少惡名”。因何得“惡名”？“千瘡百孔”（充滿孔洞）的身體及其工業(yè)工藝造成的嚴(yán)重環(huán)境污染等均難辭其咎。

但如果只看到氧化石墨烯的“缺陷”，那就很有可能與這種具有重要性能及應(yīng)用場(chǎng)景的新材料失之交臂。高超用“身懷絕技萬千變”“一笑而長(zhǎng)天下安”這樣的詩句形容氧化石墨烯的優(yōu)點(diǎn)，前者是指氧化石墨烯因易變的結(jié)構(gòu)具有塑造各種性能的潛力而廣受研究者青睞，后者則表明其在應(yīng)用的時(shí)候，實(shí)際上已經(jīng)由上游的氧化石墨烯變成了石墨烯，“所以它把惡名都背著呢，而那些好名聲都留給了石墨烯”。

那么，氧化石墨烯到底能變化出哪些“絕技”？在10月25日召開的北京石墨烯論壇上，科學(xué)家如數(shù)家珍般將氧化石墨烯的最新研究成果進(jìn)行了分享。

具有大規(guī)模制備優(yōu)勢(shì)

氧化石墨烯是石墨烯的氧化物。因氧化后，其含氧官能團(tuán)增多而使性質(zhì)較石墨烯更加活潑。氧化石墨烯可經(jīng)由各種材料或分子與含氧官能團(tuán)的反應(yīng)而改善本身性質(zhì)，它可視為一種非傳統(tǒng)形態(tài)的軟性材料，具有聚合物、膠體、薄膜以及兩性分子的特性。

高超將氧化石墨烯最大的優(yōu)勢(shì)歸結(jié)為兩點(diǎn)：它是一個(gè)可以溶解、便于加工或組裝的材料；可以進(jìn)行大量制備。

如何制備氧化石墨烯？高超介紹道，通俗而言就是通過氧化反應(yīng)讓銀色的石墨變成了金色的氧化石墨，在此基礎(chǔ)上通過水洗超聲便得到了單層的氧化石墨烯。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授朱彥武從事石墨烯應(yīng)用技術(shù)研究長(zhǎng)達(dá)十年，其所在的研究團(tuán)隊(duì)主要進(jìn)行石墨烯的制備研究。他表示，氧化石墨烯之所以引起較大關(guān)注，很重要的一個(gè)方面是氧化石墨可以使用液相處理法。

“液相處理法使得研究主體可以在化工產(chǎn)線上或生產(chǎn)設(shè)備中去處理氧化石墨，進(jìn)而得到最終的石墨烯產(chǎn)品。所以，大規(guī)模的制備就比較容易進(jìn)行。”朱彥武說。

事實(shí)上，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(tuán)。這些氧基功能團(tuán)的引入使得單一的石墨烯結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。

朱彥武表示，雖然早在60年前科學(xué)家已經(jīng)觀察到了氧化石墨烯，但如何控制含氧官能團(tuán)的種類、分布、位置、濃度等目前依然是氧化石墨烯領(lǐng)域存在的問題。

在高超的表述中，這些問題被稱為所謂的“缺陷”。

“由于它的缺陷多，可以進(jìn)行調(diào)控的地方也多，包括組成、結(jié)構(gòu)、界面都可以進(jìn)行調(diào)控，變化非常豐富。”高超表示。

高超介紹了氧化石墨烯“缺陷修復(fù)”的過程：利用氧化石墨烯分子在溶液里形成的液晶達(dá)到液向有序；然后通過組裝或紡絲，達(dá)到固向有序。“在這期間，它的分子可以進(jìn)行調(diào)控，結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)行調(diào)控，最終希望通過還原或高溫修復(fù)的辦法把缺陷進(jìn)行修復(fù)。

創(chuàng)生多功能復(fù)合纖維

氧化石墨烯是一種原材料，要做成最終應(yīng)用需要打通“料、材、器、用”這幾個(gè)關(guān)節(jié)。高超解釋道，“料”就是把它組裝起來，“器”就是能夠把它做成一些器件，而“用”則特別體現(xiàn)在儲(chǔ)能、催化等方面的應(yīng)用。

但是，實(shí)際應(yīng)用過程沒有理論上那么簡(jiǎn)單。不過，高超近期針對(duì)氧化石墨烯的應(yīng)用范疇思考出了一張路線圖，這一路線圖由“伴生”“共生”“創(chuàng)生”三個(gè)階段組成。

“所謂伴生，就是發(fā)揮一些功能添加作用，將石墨烯添加到原有的部分基材里形成應(yīng)用，比如說復(fù)合纖維、防火涂料、散熱等。它起到一個(gè)功能輔助的作用。”高超進(jìn)一步解釋道，而共生則起到功能主體的作用，比如說一個(gè)純粹的散熱膜、電池的電級(jí)、打印電路、污水處理設(shè)備、傳感器、電熱器等，“大概在2019年會(huì)有一些產(chǎn)品陸陸續(xù)續(xù)做出來”。

高超表示，創(chuàng)生則希望有一些顛覆性的應(yīng)用，其標(biāo)志為性能顛覆。

“第一個(gè)階段首先是要把原料做出來。”高超說，在經(jīng)過過去10年的探索后，這條路基本上被打通了，氧化石墨烯原料已經(jīng)可以進(jìn)行商品化供應(yīng)，大規(guī)模制備今年就可以實(shí)現(xiàn)試生產(chǎn)。

“原料有了，接著就是它的應(yīng)用。”高超所在團(tuán)隊(duì)將氧化石墨烯用于制備多功能石墨烯復(fù)合纖維。

“就是把氧化石墨烯和一些傳統(tǒng)的化纖進(jìn)行結(jié)合，我們采用的技術(shù)是原位聚合。”高超解釋道。比如將其與尼龍單體、己內(nèi)酰胺或PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）的單體進(jìn)行原位聚合。

“我們攻克了聚合、分散、紡絲三大核心技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了中試。這個(gè)纖維可以向頂級(jí)纖維邁進(jìn)，做成各種各樣的制品，也可以和棉毛、絨等進(jìn)行復(fù)合。”高超自豪地說，“這個(gè)領(lǐng)域特別大，如果做得好可以促進(jìn)我國(guó)從纖維大國(guó)走向纖維強(qiáng)國(guó)。”

多功能石墨烯復(fù)合纖維主要有抗紫外、遠(yuǎn)紅外發(fā)射、抗菌益菌、防螨蟲等性能。

“這些已經(jīng)過了國(guó)家機(jī)構(gòu)的檢測(cè)。”高超說。

打開材料制造的新通路

除了復(fù)合纖維之外，氧化石墨烯液晶可以紡絲，這一屬性對(duì)于研究石墨烯的專家來說可謂打開了材料制造的新通路。

高超認(rèn)為，通過一定的制備方式，氧化石墨烯可以形成一種結(jié)構(gòu)功能一體化的纖維，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以很高，同時(shí)具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱等功能。

朱彥武表示，氧化石墨得到的石墨烯有一個(gè)非常重要的應(yīng)用，就是將它作為導(dǎo)電添加劑。“我們?cè)诤芏嗟恼撐暮脱芯坷铮家呀?jīng)證實(shí)它確實(shí)可以很有效地提升其所添加體系的導(dǎo)電性能。比如說在電池里面可以增加它的倍率性能，無論是負(fù)極還是正極，都可以很好地提升材料的性能。”

“這些功能是原來的纖維所不具備的，這樣，它就有可能把強(qiáng)度力學(xué)性能和材料功能完美地結(jié)合在一起，這是現(xiàn)有的材料包括碳纖維都不具備的，當(dāng)然要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，路還很長(zhǎng)。”高超說。

高超表示，事實(shí)上，這一想法在8年甚至10年前就已經(jīng)提出來了，最新的研究通過牽伸、高溫還原的辦法使這種纖維材料的性能、功能都得到了一定程度的提升。但他同時(shí)表示，“我們也在向工程化應(yīng)用推進(jìn)，這條路還很漫長(zhǎng)，需要一定的時(shí)間、長(zhǎng)期的堅(jiān)持以及大量的投入。”

“過去10年來，我們把纖維的力學(xué)性能提高了20倍，電學(xué)性能提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從這個(gè)趨勢(shì)上看，應(yīng)該說它還是有前景的。”高超說。

不過，即使單純考慮通過氧化石墨烯延伸石墨烯的性能，氧化石墨烯帶來的驚喜也不可小覷。朱彥武舉例道，石墨烯作為添加劑具有大量的使用實(shí)例，以涂層材料為例，如果用1%的氧化石墨烯替代50%的鋅粉，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，重防腐涂料減少鋅粉使用量的同時(shí)還可以提升防腐性能。