科创中国

行业领域

新材料技术,高分子材料,精细化学品,无机非金属材料,金属材料

需求背景

石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，因其优异的机械性能、电学性能和热学性能，被誉为“21世纪的神奇材料”。自2004年首次被成功分离以来，石墨烯在电子信息、能源、功能材料、生物医药、航空航天等领域展现出广阔的应用前景。然而，石墨烯在实际应用中面临的一个主要挑战是其在溶剂中的分散性和稳定性问题。由于石墨烯片层间存在强烈的范德华力，容易发生团聚，影响其性能和应用效果。

为了充分发挥石墨烯的优异性能，研究人员致力于开发各种石墨烯分散液和功能化石墨烯产品。石墨烯分散液可以分为水系分散液和有机系分散液两大类。水系分散液具有环保、无毒等优点，但由于水的表面能较高，不适于直接作为分散介质，需要添加适当的表面活性剂来调节表面能。有机系分散液则利用有机溶剂的低表面能和良好的溶解性，通过机械剪切、超声等物理手段实现石墨烯的分散。

此外，功能化石墨烯通过在石墨烯表面引入不同的功能基团，如氨基、羧基、巯基等，可以显著提高石墨烯与其他材料的复合性能，拓展其应用领域。功能化石墨烯在复合材料、储能材料、光电材料、催化材料、环境净化、生物及传感材料等领域展现出巨大的应用潜力

需解决的主要技术难题

1. 石墨烯水系分散液的研发：水的表面能较高，不适于直接作为石墨烯的分散介质。需要研究适当的表面活性剂，通过调节表面能，使石墨烯在水中形成稳定的分散液。不同类型和结构的表面活性剂分子间能够相互作用，当两种或三种不同种类的表面活性剂复配后，其混合体系的临界胶束浓度（CMC）可能会低于任意一个组员的CMC，体现出协同增效的作用。需要探究不同表面活性剂用量、二次添加、不同表面活性剂之间的二元复配、三元复配对石墨烯在水中的分散性和稳定性的影响，并分析分散机理。

2. 石墨烯有机系分散液的研发：石墨烯在有机溶剂中的分散性和稳定性受溶剂种类、分散剂浓度、机械乳化时间、超声时间等因素的影响。需要结合机械剪切乳化、超声等物理分散手段，探究石墨烯纳米片在N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N,N二甲基甲酰胺（DMF）、N,N二甲基乙酰胺（DMAc）等油性有机溶剂中的分散性和稳定性，分析有机溶剂对石墨烯的作用机理。

功能化石墨烯的研发：功能化石墨烯通过在石墨烯表面引入不同的功能基团，可以显著提高石墨烯与其他材料的复合性能。需要研究氨基化改性、羧基化改性、巯基化改性等方法，使石墨烯表面带有不同功能基团，从而增强其与其它材料的亲和性，用于制备各类不同的石墨烯复合材料，如石墨烯复合树脂、石墨烯复合纤维、石墨烯复合橡胶等。

期望实现的主要技术目标

1. 开发稳定的石墨烯水系分散液：通过研究不同类型和结构的表面活性剂及其复配方案，开发出稳定的石墨烯水系分散液，确保其在水中的分散性和稳定性，满足实际应用需求。

2. 优化石墨烯有机系分散液的制备工艺：结合机械剪切乳化、超声等物理分散手段，优化石墨烯在NMP、DMF、DMAc等油性有机溶剂中的分散工艺，确保分散液的高分散性和稳定性。

3. 实现功能化石墨烯的高效制备：通过氨基化、羧基化、巯基化等改性方法，制备出具有不同功能基团的功能化石墨烯，显著提高其与其他材料的复合性能，拓展石墨烯产品的应用市场。

推动石墨烯复合材料的应用：利用功能化石墨烯，开发出石墨烯复合树脂、石墨烯复合纤维、石墨烯复合橡胶等多种复合材料，推动其在电子信息、能源、功能材料、生物医药等领域的应用，提升产品的市场竞争力。

需求解析

解析单位：“科创中国”高端装备制造业智能转型产业科技服务团（中国空间科学学会） 解析时间：2024-10-09

王诗文

桂林信息科技学院

服务团专家

综合评价

此需求描述足够清晰以便专家进行需求跟进。需求明确阐述了技术难题的各个方面，包括石墨烯在不同分散体系中的问题问题以及功能化石墨烯的研发目标等。这一需求对产业发展具有重大意义，因为石墨烯作为 “21 世纪的神奇材料”，其性能的充分发挥依赖于分散性和功能化的有效解决。这将推动石墨烯在电子信息、能源、生物医药等众多领域的大规模应用，提升相关产品的性能和竞争力。由于涉及到表面活性剂化学、有机化学、材料复合等多方面知识，可能需要跨行业专家共同解决。技术对接方案框架可以是：首先由公司研发团队与专家进行深入的技术交流，梳理现有研发成果和问题；然后根据技术难题制定详细的研发计划，包括实验设计、数据分析等；在研发过程中定期进行技术研讨和方案调整，最终实现技术目标并进行成果评估。

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