石墨烯是一种由碳原子以SP²杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料，是元素碳的一种同素异形体。2004 年，曼彻斯特大学 Geim 教授和 Novoselov 教授领导的研究团队以机械剥离的方法剥离层状石墨，发现了石墨烯的二维碳原子结构平面，由此获得了2010年度诺贝尔物理学奖。

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石墨烯的碳原子之间以σ键连接，结合方式为SP²杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性能和结构稳定性。石墨烯的断裂强度是钢铁的 100倍，硬度超过金刚石，是目前已知的最薄、最坚硬的纳米材料。石墨烯还具有优异的透光性和极大的比表面积，只吸收 2.3%的光，比表面积达到 2630 ㎡/g，远高于活性炭。此外，电子在石墨烯中传输时不易发生散射，因其电阻率低，电子迁移的速度极快。室温下，石墨烯的热导率是铜的 10 倍多，表现出优异的导热性。

近几年来，制备石墨烯的新方法层出不穷，大面积工业化生产制备石墨烯的工艺也在不断改进和优化，石墨烯所具有的众多优异性能使其在各个领域都展现了巨大的潜力与应用前景，同时也引起建筑防水领域专家学者的关注，并由此开展了其在建筑防水领域的应用研究。

石墨烯的制备方法

目前石墨烯的制备主要有四种方法：机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化石墨还原法。

1.机械剥离法

机械剥离法是通过摩擦和相对运动克服石墨层片之间的范德华力作用，使层与层之间发生相对滑动，从而反复剥离石墨层，制备出层数较少的石墨烯材料。

Geim 教授和 Novoselov 教授领导的研究团队就是采用这种方法制备的石墨烯。唐多昌等采用3M 胶带，通过对石墨片进行3-10次剥离，制备出了高质量的单层以及2-3层石墨烯。但这种方法耗时长、产率低、且无法控制尺寸和厚度，因此难以实现大规模工业化应用。

2.外延生长法

外延生长法是在一个晶体结构上通过晶格匹配生长出另一种晶体的方法。该方法具有实现大面积制备石墨烯的前景，而且用该种方法制备的石墨烯具有良好的尺寸均匀性。根据基底材料的不同，外延生长法又可分为碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。碳化硅外延生长法是指在高温下热解碳化硅，使得碳化硅表面的硅原子单晶被蒸发而脱离表面，剩下的碳原子通过自组装过程重新形成石墨烯结构的方法；金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如 Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。

M.A. Real 等采用外延生长法在 1 200-2000℃下通过Ar气氛中面对面退火的方式抑制了碳化硅的分解速率和硅升华速率，从而实现了对石墨层生长速率的控制。J. Kunc 等测定了碳化硅上石墨烯外延生长的残余气体含量以评价石墨烯外延生长的不利因素，根据气体含量的变化研究表明石墨烯的生长适宜在高温和短时间条件下完成，水与碳的反应是石墨烯中缺陷数量增加的一大原因，纯净的氩气环境及其足够的流速是高质量石墨烯生长的重要保证。

3.化学气相沉积法

化学气相沉积法与金属外延生长法类似，但可以在更低的温度下操作。其原理是碳氢化合物通过金属基体（如铜、箔等）表面，高温下反应一段时间后生成石墨烯。采用该方法制备的石墨烯具有尺寸大、质量高的优点，且适合大面积生产。Trung T. Pham 等采用低压化学气相沉积法在基底温度为1000℃时，通入氢气和甲烷的混合气体，制备了均匀的单层石墨烯材料。图1所示分别是纯铜基底和铜表面的单层石墨烯。

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图1

4.氧化石墨还原法

氧化石墨还原法制备石墨烯的原理是通过强氧化剂扩张石墨层间距，形成片层结构以及边缘带有活性基团（羰基、羧基、羟基等）的氧化石墨，之后在水或有机溶剂中进行超声，形成分散良好的单层氧化石墨烯，最后通过过热还原、化学还原或者电还原等方法去除含氧基团，从而生成石墨烯材料。Hou Dandan 等发明了一种以青蒿素为还原剂在乙醇中制备石墨烯的方法，并提出了青蒿素减少纳米氧化石墨片层表面含氧官能团的机理。研究表明，青蒿素可以有效还原高碳氧比的氧化石墨。图2所示是氧化石墨还原法中各物质表面形貌的SEM图。

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图2

5.切割碳纳米管法

碳纳米管是由石墨绕中心轴旋转形成的圆柱形管道结构。该方法以碳纳米管代替石墨，通过使用浓硫酸和高锰酸钾或者等离子体刻蚀打断碳纳米管表面的键合，将其纵向切开，从而生成石墨烯材料。不同管径的碳纳米管制备的石墨烯带宽度也不同，Jiaoliying 等通过等离子体刻蚀部分嵌入在聚合物薄膜中的纳米管来解压多壁碳纳米管以制备石墨烯纳米带，该方法制备的石墨烯纳米带边缘光滑，带宽分布窄（10-20nm）。图3所示是通过切割碳纳米管制备石墨烯纳米带的过程。

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图3

石墨烯在建筑防水领域中的应用

石墨烯作为一种新兴的碳纳米材料，具有独特的电学、热学、力学和磁学性能，其在建筑防水领域具有十分广泛的应用前景，也因此受到了国内外学者的广泛关注。

徐继武发明了一种石墨烯防水涂料，该产品将弹性防水和渗透防水两种功能相结合，同时在表面加石墨烯作为保护层，实现三层防水保护，石墨烯具有憎水性和超久的耐候性，可以实现材料的永久性防水保护。该产品具有高渗透性、高附着性、高弹性、高成膜性和高耐候性，而且“四涂一布”的施工工艺，可以完全不用考虑以防水卷材做防水处理时需要解决建筑物各种复杂水泥基体防水施工做砂浆保护层时易出现砂浆空鼓现象的问题。

刘绍贵通过在丙烯酸乳胶粉中添加石墨烯纳米片制备了一种比现有的防水堵漏涂料性能更好的石墨烯防水堵漏涂料。石墨烯纳米片以范德华力与丙烯酸乳胶粉的聚合物分子相连接，使得丙烯酸乳胶粉的聚合物分子的交联度增加，聚合物分子之间的作用力增强，从而显著提高了丙烯酸乳胶粉的粘结强度。由此说明，石墨烯纳米片的加入一方面可以减少丙烯酸乳胶粉的用量，另一方面又与乳胶粉发挥协同作用，有利于提高产品整体的粘结强度、抗压强度、抗折强度和抗渗压力。

洪跃等通过化学气相沉积（CVD）方法在蓝宝石衬底表面生长石墨烯，研究了生长时间对石墨烯疏水性能和微结构的影响。研究发现石墨烯的疏水性随着生长时间的延长而增大。这是因为生长时间越长， 石墨烯的表面平整度越低，其疏水性越强。因此，石墨烯有望作为疏水材料实现自清洁功能，甚至实现在超疏水领域的应用。图4所示是不同生长时间下石墨烯表面的接触角。

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图4

Yin Yuhua 等采用自乳化法合成了一种新型环保型十八胺-氧化石墨烯改性水性聚氨酯聚丙烯酸酯乳液，研究发现以其制备的涂膜具有优异的自愈合能力，且其表面光滑，疏水性、杨氏模量和拉伸强度均优于常规的水性聚氨酯聚丙烯酸酯乳液。图5所示是水性聚氨酯聚丙烯酸酯和十八胺-氧化石墨烯改性水性聚氨酯聚丙烯酸酯材料新处理和处理20d后涂膜的自愈合性能。

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图5

张友来等用溶胶合成法将氧化石墨烯与异丁基硅烷单体合成出一种新型的渗透型复合乳液。通过混凝土毛细吸水实验和混凝土的毛细吸盐实验，对比研究了氧化石墨烯/异丁基硅烷复合乳液、异丁基硅烷乳液和氧化石墨烯分散液对混凝土渗透性能的影响。结果发现，涂覆氧化石墨烯/异丁基硅烷复合乳液的混凝土具有最好的防水和防氯盐侵蚀效果。

展望

近年来，石墨烯以其独特的结构和性能受到了人们的关注，成为材料领域的一大研究热点，国家对石墨烯产业也非常重视，许多地方都建有石墨烯产业基地，但目前在建筑防水领域，石墨烯因成本太高而导致其应用并没有实现大规模的推广。因此，科研工作者需要开发低成本、大面积制备石墨烯的方法来解决其成本过高的难题；另外，石墨烯边缘和表面存在的活性基团影响了其与其他材料复合后的性能。此外，目前市场上供应的石墨烯纯度不高、性能不稳定、在聚合物中分散性差也限制了其大规模的推广。

因此，接下来通过降低石墨烯生产成本、提高其纯度以及采用物理共混、原位聚合、溶胶凝胶技术和偶联剂修饰等方法提高石墨烯的功能化等是后续的研究重点。

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