聚氨酯(polyurethane,PU)是分子結構中含有氨基甲酸酯基團(—NH—COO—)的聚合物,由二異氰酸酯和多元醇通過聚加成反應合成。聚氨酯為軟段和硬段交替連接而成的嵌段共聚物,軟段由聚醚、聚酯等低聚物多元醇組成,而硬段由二異氰酸酯與擴鏈劑組成。具有不同聚合能的軟段和硬段在熱力學不相容的驅動力下形成了微相分離結構,其中硬段起微納米強化和物理交聯的作用。此外,通過對單體組合的精心設計來調控軟段/硬段的結構及相對含量,實現對聚氨酯性能的“量身定制”。聚氨酯在室溫下具有高機械強度、高耐磨性、低溫柔韌性、耐腐蝕性、易加工性等特點,廣泛應用于彈性體、樹脂、涂料、膠粘劑、纖維等多個領域。盡管如此,聚氨酯在耐熱性、導熱性、電磁性、阻燃性、耐水性和氣密性等方面仍存在諸多缺陷,限制了其在許多領域的應用。

大量研究證實,在聚氨酯基體中添加功能性納米填料可顯著改善其缺陷,包括石墨烯、碳納米管、炭黑、納米粘土、過渡金屬碳化物/碳氮化物、納米纖維素、金屬粉和陶瓷粉等。石墨烯是一種具有六邊形蜂窩狀晶體結構的二維碳質材料,具有高強度(130GPa)、高模量(1000GPa)、高比表面積(2600m2/g)、顯著的柔韌性、高熱穩定性、高導熱系數(~5000 W/(m·K))和高電導率(~6000S/m),在改善聚氨酯的綜合性能方面具有潛在的應用價值。在石墨烯的眾多衍生物中,氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)是最有前途的功能性納米填料。與原始石墨烯相比,GO表面含有大量的含氧官能團,如基面上的羥基和環氧基,以及位于薄片邊緣的羰基和羧基等,這不僅使GO在聚合物中具有良好的分散性,而且提供了表面功能化和形成化學鍵的活性位點,可賦予石墨烯納米薄片與聚合物之間理想的界面。同時,在石墨烯的不同制備方法中,通過高溫熱還原或化學還原GO制備還原氧化石墨烯(reducedgrapheneoxide,RGO)因其成本效益高、可拓展性好、可批量生產等特點而成為研究最多的方法。

石墨烯致密的離域二維電子狀態使其具有屏蔽原子和分子的特性。當腐蝕介質穿過有機薄膜或涂層體系時,它能繞過或穿透涂層中的填料,而腐蝕介質通過涂層的曲折程度取決于腐蝕介質如何繞過填料。有機材料/石墨烯復合防護涂層的基本設計理念是利用石墨烯的化學惰性和阻隔性,延長腐蝕介質在涂層中的滲透路徑長度。同時，石墨烯還能提升鋅粉底漆中鋅粉的利用率，增強涂層的防腐蝕能力。

由于石墨烯和聚氨酯優異的理化性能，石墨烯/聚氨酯納米復合材料在許多領域已得到廣泛研究。石墨烯在聚氨酯中的分散狀態和界面相互作用一直是影響復合材料綜合性能的重要因素。石墨烯的表面功能化和復合材料的制備工藝是影響石墨烯分散程度和界面相互作用的決定性因素。

目前,石墨烯/聚氨酯復合材料在導電材料、導熱材料、阻燃材料、EMI屏蔽材料、氣體阻隔材料、耐腐蝕材料等方面的潛在應用仍在不斷研究中。除上述應用外,石墨烯/聚氨酯復合材料在電池、電容器、電化學、生物醫學等領域也表現出潛在的應用前景。對石墨烯優異性能的進一步開發,以及石墨烯/聚氨酯復合材料制備工藝的持續改進,將極大地推動納米復合材料科學的進步。因此,石墨烯/聚氨酯復合材料在未來必將具有更廣泛的應用前景。

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