打破砂鍋問到底–#11.石墨烯不能做甚麼？

01-28

2016-03-25

新材料種類繁多，行業包羅萬象。從集成電路半導體器件所用的硅材料，到航空航天領域所用的鈦合金；從醫療領域骨骼修復所用到的組織誘導生物材料，到日常眼鏡鏡片所用的透明樹脂。然而，在眾多的新材料當中，只有少數幾種具有「顛覆性基因」，石墨烯就是其中之一。

或許更精準地說，石墨烯作為最上游的材料，竟然可以跟任何材質做結合，即使像在複合金屬中銅與碳的溶解度低，我們還是可以透過特殊工藝來完成項目。但如果你覺得石墨烯就可能為所欲為，那你可能就錯了。我在這裡就舉出三點來說明石墨烯的制約。

第一個笑話是「表面疏水性」。大概是一個月前某國立大學材料系碩士班打電話跟我買用於「疏水塗料」的石墨烯。我一聽突然愣住了，雖然我不賣石墨烯，但我決定玩玩他。我問他用在那？他回答要用在玻璃表面做「自凈」功能。我再問他石墨烯有 600 多種，你要哪一種？他還知道說要疏水性的石墨烯。我再問他最後一個問題，石墨烯本身無法黏附在任一基材上（其實這是第四個制約），你選擇用哪種高分子？他回答用環氧樹脂。

問題來了！要做成表面疏水性的塗料，首先要把疏水性的石墨烯（氧化石墨烯屬親水性）拌入環氧樹脂，一則疏水性材料與高分子間的潤濕性不佳，相對分散性不好；再者，通常石墨烯的滲濾閾值低，疏水性把比例高的高分子包圍，最後呈現在表面的是高分子，完全無法凸顯石墨烯的優勢。所以我笑了，要他從微結構及表面處理著手，忘了石墨烯的存在吧。（當然，他還是會用石墨烯，只是題目找錯了）

第二個笑話是「耐高溫」。網路上有人問石墨烯能耐 500℃ 高溫煅燒嗎？我的回答正常環境下是不能。石墨烯耐氧化溫度為 650℃，熱失重溫度為 450℃，也就是加溫超過 450℃以上就逐漸被破壞、失重。當然在真空或份圍條件下可以超過 3,800℃，但成本高、不適合一般民生消費品之加工。

專利nCN103555016 A「一種耐高溫耐磨石墨烯塗料及其製備方法」就是誤導大家最好的案例。依據其內容採用調和釜攪拌，所以分析溫度不會太高。仔細看看內容有摻入硅酸鹽包括鹼金屬 K、Ca、Na、Fe、Mg、Al 或 Mn 硅酸鹽水溶液和膠體二氧化硅的水分散液。另外，專利 CN103589281A「一種基於石墨烯的耐高溫防腐塗料及其製備方法」也提到聚羥酸鈉鹽，硅酸鹽才是擔任耐高溫的主角。石墨烯充其量能提高熱穩定溫度，而且只有氧化石墨烯比較有效。

第三個笑話是「耐磨損及硬度」。專利 CN103555016A「一種耐高溫耐磨石墨烯塗料及其製備方法」就是連犯兩個大錯，這表示某石墨烯概念股的基本功做得不太札實。

我在「果殼」回答過這個問題，我說：與其說石墨烯「堅硬」，我倒認為「堅韌」比較合適。石墨烯經過細胞破碎成納米級片徑，但卻無法將鑽石破碎，就是因為石墨烯是二維材料，鑽石是三維材料，整體來看石墨烯還是很容易被破碎的。其次，石墨烯本身不會黏附在任何基體上，必須透過高分子或粉末冶金方式與金屬做鍵結。其實石墨烯本身耐磨損及硬度性能不佳，如果用鍍在金屬表面的方式還要考慮選擇適合的基體。一方面要保持硬度，一方面還要保持耐磨損性，我只能說是可能的，但絕對要以複合材料的思維去設計，光靠石墨烯是不夠的，選擇對的材料做耐磨損層才是正確的觀念。

其實各位聽到這些功能都是「相對性」的，舉 CN103613883B「一種以石墨烯為填料的耐磨損硬質複合材料及其製備方法」為例，是指提高 PVC 耐磨損的相對比較，而石墨烯與高分子通過氫鍵的二次鍵結，形成表面較密緻的結構，自然有較佳的表現，但說這樣就可以提高硬度及耐磨損性也有限，終究是受到原始高分子物性的制約。

所以，爾後不要跟別人說石墨烯有這四項優點，遇到我，你會被我笑的。