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涨姿势!这些石墨烯改性塑料复合材料制备方法你知道吗?
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涨姿势!这些石墨烯改性塑料复合材料制备方法你知道吗?

在塑料方面,石墨烯的产业化及研究方向主要在:防静电功能塑料、导热功能塑料、高强度塑料、高气体阻隔塑料、高离子选择透过塑料膜五方面。结合了石墨烯优点的新型塑料,凭借其的性能,打破了传统工业中材料使用的限制,使塑料产业迎来新的利润增长点,石墨烯复合塑料也因此被人们广泛看好。


石墨烯改性塑料


防静电功能塑料:在我们的认知里,塑料是绝缘体,具有高电阻,石墨烯与塑料基体结合后,使塑料的表面电阻降低,并且具有了导静电功能。石墨烯作为一种新兴导电填料,不仅具有优异的力学性能,电子迁移率非常高,且横纵比较大,填充到塑料基体中,可得到高电导率低逾渗浓度的塑料,即聚氯乙烯(PVC)/石墨烯复合材料;PE–HD具有成本低、力学性能好、绝缘性能好、热稳定性好和加工方便等优点。但是材料表面容易积聚电荷,石墨烯纳米片(GNP)的加入可使材料导电性能得到改善,并且采用聚苯胺(PANI)用于封装GNP,其可减少成本并能提升GNP在PE–HD中的分散性和相容性,得到具有优异力学性能和抗静电性能的永久抗静电PE–HD复合材料,即高密度聚乙烯(PE–HD)/石墨烯复合材料。


导热功能塑料:普遍来讲,塑料的热导率较差,仅0.1-0.5W/m·K,但石墨烯塑料的热导率可达到5-10W/m·K。添加石墨烯后,塑料可应用于LED灯的散热件、汽车散热件、电子电器散热壳体等领域,取代部分金属铝等常用散热材料,从而推进器件的轻量化。目前发展较好的复合材料有热塑性聚氨酯(PUR-T)/石墨烯复合材料、尼龙(PA)6/石墨烯复合材料、聚丙烯(PP)/石墨烯复合材料等。


高强度塑料:石墨烯具有出色的机械性能,力学拉伸强度能达到130GPa,而这一优势也投射到石墨烯塑料上。目前汽车轻量化趋势之下,石墨烯增强材料可以代替原本汽车使用的金属材料,满足汽车向轻量化发展和低能耗等需求。当前,石墨烯在工程塑料用量较大的两种材料是尼龙(PA)6和尼龙(PA)66。


高气体阻隔塑料:石墨烯的碳原子以蜂窝形结构紧密结合在一起,当其完全剥离并分散在聚合物纳米复合材料中时,网格结构延长了气体扩散的路径,可大幅提高塑料的气体阻隔性。


高离子选择透过塑料膜:石墨烯在过滤净化方面拥有很强的能力,紧密结构能够允许水分子通过,从而阻挡其他有害物质。而通过表面改性后的塑料也可以用于分离不同性质的液体。


石墨烯塑料制备方法


石墨烯塑料(石墨烯改性塑料复合材料)性能的优劣与其制备过程中的加工条件是分不开的。不同的制备方法导致石墨烯在基体中的分散性、界面作用和空间结构均有所不同,而这些因素则决定了复合材料的刚度、强度、韧性和延展性等。


石墨烯塑料的物理制备方法包括溶液混合法和熔融共混法,化学方法方面应用较多的有原位聚合法、乳液混合法、层层自组装技术(LbL)等。


溶液混合法:溶液混合法是将石墨烯材料(GO、RGO)在溶剂中溶解制得悬浮的单层石墨烯,使其更大程度地分散在聚合物基体中。溶液混合法能将石墨烯较好地分散在聚合物基体中。这种方法因其分散效果好、制备速度快以及能够很好地控制各成分的状态而得到了广泛的应用;但该方法需要使用有机溶剂,会对环境造成不良影响。


熔融共混法:熔融共混法是一种无溶剂制备方法,利用挤出机产生的剪切力克服界面作用力将填料分散在聚合物熔体中。熔融共混中由于分别制备石墨烯和聚合物,因此石墨烯的尺寸与形态可控,但是石墨烯在聚合物基体中集聚而不易分散,并且与聚合物的界面作用较差。熔融共混法是制备石墨烯塑料比较实用的方法,其工艺较为简单,可实现大规模低成本制备,但是较高的温度和局部压力会影响复合材料各成分的稳定性。


原位聚合法:原位聚合法是将石墨烯与聚合物单体混合,然后加入催化剂引发反应,最后制得复合材料。通过检测发现,这种方法没有破坏复合材料的热稳定性,不过原位聚合法的反应条件难以确定,加入导热添加剂后会对聚合物产生不确定影响。


乳液混合法:乳液混合法则利用了经表面改性的石墨烯在水中的良好分散性,将其分散液与聚合物乳液混合,然后通过还原制备石墨烯/聚合物复合材料。同熔融共混法相比,乳液混合法制备的复合材料具有更好的分散效果和空间稳定性,而且该方法不使用有机溶剂,不破坏环境。


层层自组装技术(LbL):层层自组装技术(LbL)在制备高强超薄薄膜、细胞膜和高强涂料方面很有优势。该技术能够调节石墨烯/聚合物界面,使石墨烯得到良好分散。

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