建筑材料是土木工程和建筑工程中使用的材料的总称。 可分为结构材料、装饰材料和一些特种材料。 结构材料包括：木、竹、石、水泥、混凝土、金属、砖、陶瓷、玻璃、工程塑料、复合材料等； 装饰材料包括：各种涂料、油漆、涂料、木皮、各种彩色瓷砖、特效玻璃等； 特种材料是指防水、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔热、保温、密封等，建筑材料的种类包罗万象。
在这篇文章中，我将选择三种材料来谈谈石墨烯的神奇用途，即：阻燃材料、甲醛吸附材料和陶瓷材料。 俗话说：只要你了解石墨烯，你就能把它用在你想到的任何材料上。 本文还涵盖了阻燃、传感、吸附和力学等机制。 不同的机制与不同的石墨烯有不同的组合，甚至不同厂家的基材也会有不同的优化石墨烯配方。 喵吧！ 这就是石墨烯神奇的地方。 如果你有兴趣做石墨烯研究，你会发现没有界限，随时都能发现惊喜。
阻燃材料
阻燃剂本质上是延迟和抑制燃烧的蔓延，并降低热点燃的可能性。 这是一项从根本上抑制和消除失控燃烧的技术。 换句话说，就是采用适当的化学品（阻燃剂、改性剂）或合成技术（引入阻燃结构单元）从本质上改变高分子材料的热物理和化学性能，使其成为防火惰性材料。 ，或者说是为材料本身提供外部隔热、隔氧保护层，防止其燃烧的一系列科学方法和手段。 大多数阻燃剂由元素周期表VA中的N、P、As、Sb、Bi和元素周期表VIIA中的F、Cl、Br、I以及B、Al、Mg、Ca、Zr、Sn组成、Mo、Ti等元素。 由无机化合物和有机物组成。 它们分为反应型阻燃剂（元素以化学键的形式键合到聚合物链上）和添加型阻燃剂（将阻燃剂共混到聚合物中）。
聚合物的阻燃原理主要有三类：气相阻燃机理、凝聚相阻燃机理和间断热交换阻燃机理。 目前，提高聚合物阻燃性能的方法可分为两类：一类是通过分子设计，赋予聚合物分子阻燃元素或阻燃结构，从而提高聚合物的阻燃性能；另一类是通过分子设计，赋予聚合物分子阻燃元素或阻燃结构，从而提高聚合物的阻燃性能。 另一种是添加阻燃剂，提高高分子材料的耐火性能。 其中，后者是塑料行业广泛采用的方法，具有技术成熟、成本低、加工方便等优点。 目前常用的阻燃剂有溴系阻燃剂、聚磷酸铵、氢氧化铝、氢氧化镁、红磷和三聚氰胺等，而石墨烯具有更好的阻燃性能。
石墨烯具有优异的阻燃效果有两个原因。 首先，其二维层状结构具有层状屏障效应，可以延迟热量的传递、热解产物的扩散和逃逸以及氧气的扩散和混合。 Huang（2010）利用氧化石墨烯并采用自蔓延方法将GO薄膜转化为还原石墨烯薄膜。 研究发现，自蔓延法得到的rGO薄膜具有良好的耐火稳定性。 此外，石墨烯还含有大量的烃基、羟基、环氧基等含氧官能团，可以通过化学键与聚合物基体形成较强的界面相互作用，提高石墨烯的热稳定性和防火安全性。聚合物。
选择聚合物也是一门科学。 聚合物的阻燃性通过氧指数（Index，%）来判断。 OI值越高，材料越难燃烧。 空气中的氧气浓度为21%，因此在空气中点燃后，氧指数OI小于21%的材料会继续燃烧，而氧指数OI大于21%的材料会熄灭。 参见表 1。
石墨烯作为阻燃剂，具有很高的阻燃效果。 添加少量石墨烯可以提高聚合物基体的热稳定性和阻燃性能，提高TTI和热分解温度，降低HRR。 黄等人。 (2012)研究了石墨烯对PVA复合材料阻燃性能的影响。 结果表明，当石墨烯添加量为3wt%时，对PVA的阻燃效果最好。 TTI从纯PVA的18秒增加到33秒，PHRR从373kW/m2降低到190kW/m2（见表2）。 韩等人。 (2013)将PS分别与GO和石墨烯熔融共混，并在一定温度下成型，制备GO/PS和石墨烯/PS纳米复合材料。 结果表明，添加GO或石墨烯后，PS基体的热稳定性和阻燃性能得到改善。 当两者添加量均为5wt%时，添加石墨烯的复合材料的热稳定性和阻燃性能兼具。 石墨烯/PS复合材料的10%热分解温度比纯PS高80℃，PHRR比PS低近50%，优于添加GO的复合材料。
包等人。 (2012)修饰GO制备FGO并研究其对PS阻燃性能的影响。 研究发现，随着FGO含量的增加，PS复合材料的TTI和初始排烟时间缩短，这主要是由于添加FGO的复合材料导热系数较高； 然而，添加FGO后，PS的PHRR和THR降低。 随着FGO含量的增加和减少，复合材料的阻燃性能提高（见图1）。 全等人。 (2009) 研究了石墨烯纳米颗粒 (GNP) 对热塑性聚氨酯 (TPU) 复合材料阻燃性能的影响。 结果表明，GNPs可以提高TPU的热稳定性，作为阻燃剂可以显着提高TPU的阻燃性能； 当GNPs为5.6vol%时，TTI为63s，比纯TPU提高了近50%。 熄火时间由225s降至284s，复合材料的HRR由775kW╱m2降低至563kW╱m2； 复合材料的拉伸模量随着GNPs含量的增加而增加。
黄等人。 (2012)制备了聚哌嗪双螺环磷酸酯酰胺PSPPB接枝石墨烯(CRG-PPSPB)并研究了CRG-PPSPB对EVA阻燃性能的影响。 结果表明CRG-PPSPB可以提高EVA的热稳定性和阻燃性。 当CRG-PPSPB为1wt%时，EVA起始分解温度由314℃升高至334℃，TTI由57s升高至75s，PHRR由574kW╱m2降低至309kW╱m2，THＲ由124MJ╱m2降低至97MJ╱平方米。 PPSPB的有机改性不仅提高了石墨烯在聚合物基体中的分散性和材料的力学性能，而且显着增强了膨胀型阻燃剂与石墨烯的协同阻燃效果。 （见图2）
综上所述，石墨烯的阻燃机理可以认为是在复合材料燃烧过程中，石墨烯在聚合物基体表面形成致密的保护碳层。 这层炭层可以隔绝热量和气体，引起热分解产生可燃气体，不再参与燃烧，最终达到阻燃效果。
甲醛吸附材料
甲醛是最常见的室内空气污染毒物。 大约 3,000 种不同的建筑材料含有甲醛。 主要来源是纤维板、胶合板、隔音板、保丽龙等装饰材料。 甲醛是一种常见的室内空调，因为甲醛树脂用于多种建筑材料，包括胶合板、毛毯、绝缘材料、木制品、地板、烟草、装修和装饰材料，并且因为甲醛树脂缓慢且持续地释放甲醛。 污染之一。 甲醛一般从源头缓慢释放。 新产品在最初几个月释放的甲醛量最高。 一段时间后，甲醛释放量会逐渐减少。 甲醛是一种剧毒、易挥发的物质。 它也是一种致癌物质，因此监测和吸收甲醛在工业和住宅环境中尤为重要。 我们目前正在寻找快速、简单、灵敏的方法来检测甲醛并充分吸收它。 石墨烯不仅可以用来吸收甲醛，还被一些学者用来感知甲醛含量。
袁卫华等. (2015)对石墨烯吸附甲醛进行了第一性原理研究，提出石墨烯在碳环中心吸附单个CHO:H位需要考虑三个吸附位置； B位，在CC键的中心；T位，在碳原子上方。 在每个可能的吸附位点处，甲醛分子可以平行于石墨烯平面或垂直于石墨烯平面。 利用自动优化方法，结果表明，当甲醛吸附在碳原子正上方且T点时，系统能量最小，系统达到最稳定状态。 表3示出了分析得到的吸附能Ead、电荷转移量ΔQ、甲醛分子中的C原子到石墨烯基板的垂直距离h、甲醛分子中的O原子到掺杂石墨烯的垂直距离h。 杂原子的长度 do-x、掺杂原子与组合 C 原子之间的键长 dc-x 等数据。 参见表3。根据石墨烯甲醛分子C原子的吸附能和垂直高度，很明显，Pt掺杂石墨烯与甲醛分子之间的吸附非常强。 甲醛气体分子的吸附高度较低，为2.755 Å，吸附能较大，为3.039eV。 吸附在掺铝石墨烯上的气体分子的吸附能也较大，为1.852eV。 当甲醛分子吸附在本征石墨烯和缺陷石墨烯上时，吸附位置变化并不明显，分别为3.519Å和3.353Å，吸附能远小于1eV。 这说明Pt掺杂石墨烯对甲醛气体具有较好的吸附效果。
在甲醛检测方面也有大量的研究投入。 Lin(2013)提出掺硼单壁碳纳米管和掺硅氮化硼纳米管可用于检测CH20分子。 (2007)首先发现用石墨烯制备的传感器可以检测单分子在石墨烯表面的吸附和解吸行为，然后研究了微机械剥离、化学剥离和化学气相沉积制备的石墨烯的气敏性能。 特性方面，发现本征石墨烯仅对NO、NH3等少数气体具有较高的敏感性。 何光宇(2015)以氧化石墨烯、三聚氰胺和甲醛溶液为原料，用水合肼还原氧化石墨烯，同时还原未反应的甲醛，首次通过分子自组装制备了具有层状结构的环保石墨烯。 ╱三聚氰胺甲醛树脂纳米导电复合材料。 添加石墨烯后，三聚氰胺甲醛树脂中的游离甲醛含量显着降低。 MF中游离甲醛含量为0.3%。 添加0.1wt%石墨烯后，三聚氰胺甲醛树脂中游离甲醛含量降低3%。 三分之二。 这意味着石墨烯提高了复合材料的导电性和热稳定性，同时大大降低了复合材料中游离甲醛的含量。 此外，复合材料中石墨烯片与树脂基体之间的界面相互作用以及石墨烯层状结构的阻气性能限制了树脂分子羟甲基化合物的活性和游离甲醛的释放。 参见图 3。
吴仁章(2012)采用特殊的氧化方法制备了氧化石墨烯，并将传感材料涂覆在带有丝网印刷金电极的氧化铝基板上作为甲醛传感器。 利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和X射线衍射仪（X-ray，XRD）对传感材料进行定性分析，证实石墨烯表面存在氧化物官能团。 研究结果表明，室温下50ppm甲醛的传感信号（S=RNO╱RN2）为S=7.0，反应时间（Time）T90=398s，恢复时间（Time）TR90=587s。 这种传感材料的优点是无需升高温度即可在室温下测量10-50ppm的甲醛浓度。 对不同基底上石墨烯吸附 CHO 的研究表明，与其他基底相比，CHO 分子在 Pt 掺杂石墨烯上的吸附能力更强。 石墨烯掺杂Pt后，与其他基材相比，石墨烯吸附气体分子。 吸附能显着增加，电荷转移显着增加，电导率显着改变。 可以加快气敏响应速度，增加吸附容量。 因此，Pt掺杂石墨烯有望成为一种新型传感器，可用于CHO分子的检测，并在甲醛去除材料中具有重要应用。
陶瓷材质
石墨烯作为纳米增强相，与碳纳米管一样，在陶瓷材料中也存在分散性、变质性和界面性能等问题。 其中，石墨烯比表面积较大，石墨烯片之间存在较大的范德华力，容易发生团聚。 因此，石墨烯在陶瓷材料中的分散程度是制约其强韧化效果的关键因素。 。 近年来，研究人员在解决石墨烯片作为纳米增强相在陶瓷材料中的分散问题方面取得了良好的成果。 其中，引入石墨烯的方法主要有两种：“直接添加”和“原位形成”。
梁等人。 (2013)直接将石墨烯纳米片引入双相磷酸钙生物陶瓷中。 通过添加阳离子表面活性剂，磷酸钙颗粒可以很好地附着在石墨烯表面，有效防止石墨烯团聚并将其分散。 良好的石墨烯纳米片可显着提高磷酸钙生物陶瓷的机械性能。 与空白样品相比，添加1.5 wt%石墨烯纳米片的样品的弯曲强度和断裂韧性分别提高了55%和76%。 与碳纳米管相比，石墨烯具有二维片状结构，其前驱体氧化石墨烯由于表面存在大量含氧基团，可以很好地分散在溶液中。 基于氧化石墨烯在溶液中优异的分散性能，将氧化石墨烯溶液与陶瓷细粉预混合，然后通过各种还原方法对氧化石墨烯进行原位还原，最终得到含石墨烯的复合粉末，可以有效解决陶瓷细粉的分散问题。石墨烯在材料中的分散问题。 如表4所示。
王等人。 (2011)以氧化石墨烯溶液的形式将石墨烯引入到氧化铝陶瓷材料中，利用水合肼在60℃下对悬浮液进行原位还原，通过放电等离子体烧结得到石墨烯/氧化铝陶瓷基体。 复合材料的断裂韧性也提高了53%。 除了材料中氧化石墨烯的原位化学还原外，一些研究人员还报道了通过快速升温至550℃并在惰性气体流下对石墨烯复合粉末或复合陶瓷材料进行原位热还原。 高温热还原后的氧化石墨与陶瓷粉末的机械球磨也是将分散良好的石墨烯片引入陶瓷材料的常用方法。 所得石墨烯纳米片是多层的。 石墨烯片。 范等人。 (2012)在球磨介质下对α-Al2O3粉末和膨胀石墨进行高速球磨。 在α-Al2O3粉末的高速剪切作用下，膨胀石墨可形成厚度为2.5～20 nm、分散均匀的石墨烯纳米片（如图4所示）。 刘等人。 (2013)也利用该方法制备了含有多层石墨烯纳米片(GPLs)的氧化铝复合粉末，并将其添加到氧化铝陶瓷中。 结果表明石墨烯/氧化铝陶瓷材料在断裂过程中表现良好。 存在明显的沿晶断裂模型，石墨烯纳米片嵌入晶粒之间，对晶粒的生长有一定的阻碍作用。
此外，Kun 等人。 (2012)研究了不同厚度的石墨烯纳米片对Si3N4陶瓷的补强效果，发现含有较厚石墨烯纳米片的复合粉末对陶瓷具有更好的补强增韧效果。 他们认为，石墨烯在球磨和剥离纳米片的过程中，随着石墨烯片的不断剥离，团聚现象不断加剧，从而在材料中形成更多的孔隙，影响Si3N4陶瓷的力学性能。 石墨烯对陶瓷材料的强韧增韧机理主要是通过材料中石墨烯片的承载和拔出，以及裂纹的架桥和偏转作用。 (2012)在石墨烯纳米片增强ZrO2/Al2O3陶瓷中发现，石墨烯片可以在材料中引起三种不同的裂纹偏转模式，即单裂纹偏转、双裂纹偏转和通过增强体的裂纹扩散。 只有当石墨烯纳米片与基体界面之间的结合力较强时，裂纹在遇到石墨烯时才会在水平方向和三维方向上扩展并穿透石墨烯，显着增加裂纹的扩散路径，有效降低应力裂纹集中，从而达到增韧效果，如图5所示。
可见石墨烯的用途相当广泛，但石墨烯材料必须根据机理来设计。 单层石墨烯本身会产生皱纹，无法在半导体上压平。 最终会采用其他流程来解决问题。 但吊诡的是，学术界一直宣扬单层石墨烯的珍贵，完全忽视了单层石墨烯的制约。 难道他们不了解石墨烯吗？ 还是缺乏实践经验？ 实在是令人费解。
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