石墨烯作为一种具有划时代意义的二维纳米材料，因其非凡的力学、电学和热学性能而备受瞩目。然而，石墨烯在实际应用中面临着一个重大挑战——团聚现象。本文系统分析了石墨烯团聚的内在机理和外部影响因素，并从物理分散、化学改性、工艺优化等多个角度详细阐述了当前最有效的解决方案。同时，本文还探讨了不同分散方法的优缺点及适用场景，并对未来石墨烯分散技术的发展方向提出了展望。通过深入理解团聚机制和掌握分散技术，可以充分发挥石墨烯的优异性能，推动其在复合材料、能源存储、电子器件等领域的广泛应用。
一、石墨烯团聚的机理分析
石墨烯团聚是指石墨烯片层之间通过相互作用力聚集堆叠的现象，这一过程会导致石墨烯有效比表面积大幅下降，性能显著劣化。团聚现象的产生是多种因素共同作用的结果，本质上源于石墨烯的固有物理化学特性及其与环境介质的相互作用。
1、表面能及范德华力：石墨烯具有极高的比表面积（理论值约2600 m²/g），这使得其表面能极高，处于热力学不稳定状态。从能量角度而言，石墨烯片层倾向于通过相互聚集来降低表面能，从而达到更稳定的状态。石墨烯片层间存在强大的范德华力，这种力虽然单个作用较弱，但由于石墨烯片层中大π键的广泛存在，其累加效应极为显著。研究表明，石墨烯层间的范德华相互作用能高达~2 eV/nm²，这种强大的吸引力如同"微观世界的小手"，不断将相邻片层拉拢在一起，形成紧密的堆叠结构。特别是在高浓度或溶液环境中，这种作用会导致石墨烯迅速团聚并沉淀，难以长期保持单层分散状态。
2、π-π共轭相互作用：石墨烯的碳原子采取sp²杂化形成蜂窝状晶格，未杂化的p轨道电子形成离域大π键。当两个石墨烯片层接近时，它们的π电子云会产生π-π堆积效应，这种相互作用随着片层平行排列而急剧增强。分子动力学模拟显示，在石墨烯团聚过程中，片层间夹角逐渐趋近0°或180°，最终形成近乎完美的平行排列。这种π-π共轭作用不仅强度高，而且具有方向性，使得一旦形成团聚就难以通过常规方法解聚。特别是在还原氧化石墨烯过程中，随着含氧官能团的去除，sp²碳网络重新形成，π-π共轭效应会显著增强，导致不可逆团聚。
3、氢键及静电作用：氧化石墨烯表面富含羟基、羧基和环氧基等含氧官能团，这些基团之间可以形成密集的氢键网络。虽然单个氢键能量不高，但大量氢键的协同作用会显著促进氧化石墨烯的团聚。另一方面，这些含氧基团在溶液中会发生电离，使氧化石墨烯表面带负电，产生的静电排斥力可以在一定程度上抑制团聚。但这种平衡极为敏感，受pH值和离子强度影响很大。当溶液处于等电点或加入电解质时，表面电荷会被屏蔽，静电排斥减弱，导致快速团聚。研究表明，当NaCl浓度从0.1 mol/L增加到0.5 mol/L时，石墨烯团聚簇的平均尺寸可增大50%。
4、环境因素影响：温度对石墨烯团聚行为有显著影响。低温下，石墨烯片层热运动减弱，分子间作用力相对增强，团聚趋势明显。模拟数据显示，温度从350K降至300K时，石墨烯团聚簇平均尺寸增加约30%。溶剂性质同样关键，石墨烯在常见极性溶剂（如水、乙醇）中分散性差，而在N-甲基吡咯烷酮（NMP）等特殊溶剂中分散性相对较好，这是因为溶剂分子与石墨烯间的相互作用能必须与剥离石墨烯所需的能量匹配。此外，浓度效应也不容忽视，高浓度下石墨烯片层碰撞几率增加，更容易发生团聚。
表：影响石墨烯团聚的主要因素及作用机制
理解石墨烯团聚的多因素机制，为开发有效的分散方法提供了理论基础。在实际应用中，往往需要综合考虑这些因素的相互作用，采取组合策略来实现石墨烯的稳定分散。
二、常见分散方法
1、物理分散方法及应用
物理分散法是通过施加外力或利用物理场效应来克服石墨烯片层间的相互作用，实现石墨烯解团聚和分散的方法。这类方法的最大优势在于不引入化学改性，能够保持石墨烯的本征结构和性能，因此在要求保持石墨烯完整性质的场合尤为重要。
1.1超声分散法：目前应用最广泛的物理分散技术之一，其核心在于利用超声波产生的空化效应来分离石墨烯片层。当高强度超声波在液体中传播时，会产生周期性的高压和低压区域。在低压阶段，液体内部形成微小气泡（空化核），而在高压阶段，这些气泡急剧崩溃，释放出巨大的能量，产生局部高温（约5000K）、高压（约1000atm）和强烈的冲击波。这种极端物理环境能够提供足够的能量来克服石墨烯层间的范德华力，实现片层的剥离和分散。研究表明，超声处理的效果与功率、时间和溶剂选择密切相关。Umar等通过在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中进行低功率长时间超声处理（超过462小时），成功获得了浓度达1.2 mg/mL的石墨烯分散液。而周明杰的研究则表明，超声处理不仅能剥离石墨烯团聚体，还能促进碳纳米管与石墨烯的均匀混合，这是因为超声波瞬间释放的压力同时破坏了两种材料间的相互作用力。但需注意的是，过度的超声处理可能导致石墨烯片层断裂，尺寸减小，甚至结构损伤，因此需要优化处理参数。
1.2机械剪切法：通过施加剪切力或撞击力来分离石墨烯片层，常见技术包括球磨、高速搅拌和三辊碾压等。湿法球磨是其中一种有效方法，吴乐华等以纯净石墨粉为原料，无水乙醇为溶剂，采用球磨配合超声和离心等手段，成功获得了少数层分散的石墨烯。球磨过程中，磨球与石墨颗粒之间的碰撞和剪切作用能够有效剥离石墨烯，而溶剂的存在则有助于防止重新团聚。机械方法的优势在于设备相对简单，易于放大到工业化生产，但难点在于控制适当的机械力强度——过弱则分散效果不佳，过强则会导致石墨烯结构破坏。此外，机械方法获得的分散液通常稳定性较差，需要与其他稳定化方法结合使用。
1.3微波辐射法：新兴的物理分散技术，利用微波电磁场的高频振荡产生均匀体相加热，克服石墨烯片层间的相互作用。Janowska等采用氨水作为溶剂，对膨胀石墨进行微波辐射处理，成功制备了单层、双层和少数层（少于十层）的石墨烯分散液。微波加热的特殊性在于其能够使溶剂分子（如氨水）部分气化，产生的内部气压对分离石墨烯片层具有独特效果。透射电镜观察证实，这种方法获得的石墨烯能够在氨水中稳定分散，且结构完整性保持良好。微波法的优势在于加热快速均匀、能量效率高，但溶剂选择至关重要，需要具有适当介电损耗因数的溶剂来有效吸收微波能量。
1.4脉冲磁场搅拌：针对导电性良好的石墨烯悬浮液，脉冲磁场技术展现出独特优势。当施加高强度脉冲磁场（10-20特斯拉）时，石墨烯中感应的涡流与磁场相互作用产生洛伦兹力，这种力能够有效"搅拌"和分离石墨烯片层。这种非接触式的分散方法避免了机械剪切可能带来的结构损伤，特别适合与后续的复合材料制备工艺集成。德国西格里集团采用极端物理方法，使用10000℃的等离子体炬瞬间处理石墨烯团聚体，使石墨烯在镁合金中的分散率提高到85%，尽管这种方法会导致成本增加约20%。
1.5其他物理技术：包括高压均质、超临界流体剥离和冷冻干燥再分散等方法。高压均质技术利用极高的压力（可达2000 bar）迫使石墨烯悬浮液通过微小通道，产生强烈的剪切力和空穴效应，实现片层剥离。超临界流体（如超临界CO₂）则利用其特殊的物理性质，渗透到石墨烯层间并迅速膨胀，产生剥离作用。冷冻干燥法先将氧化石墨烯溶液快速冷冻，然后在真空条件下升华溶剂，获得蓬松的氧化石墨烯泡沫，这种材料很容易通过温和超声重新分散在各种溶剂中。
表：主要物理分散方法的比较
物理分散方法在实际应用中往往需要与其他化学方法结合使用，以同时实现石墨烯的初始分散和长期稳定。此外，物理方法的参数优化需要根据具体应用场景和石墨烯类型进行系统研究，以达到最佳的分散效果与结构完整性的平衡。
