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在改性塑料领域,石墨烯又大放异彩了

中国粉体网讯 自2004年,由海姆和诺沃肖洛夫首先制备出石墨烯以来,作为世界上最薄的二维材料,在学术界和工业界总能掀起一波又一波的研究热潮。



十几年来,在各行各业,石墨烯不断焕发生机,凭依着性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点,广泛地应用于交通、建筑、包装、家电、医疗、体育、电子、机械、航空航天等领域,有效的扩大了市场范围。

目前,将具有优异性能的石墨烯用于塑料改性,已逐渐成为一种新的热点。人们预测,有望在二十一世纪掀起一场新的技术革命。

石墨烯改性塑料的应用

目前,国内外对石墨烯改性塑料的研究成果丰硕,主要集中在石墨烯改善塑料的导电性、导热性、力学性能和阻隔性能等方面。



石墨烯改性后的塑料性能更为优异,能带来新的市场,以下是较为成熟,颇具市场前景的四种改性塑料。

1.防静电功能塑料

(1)聚氯乙烯(PVC)/石墨烯复合材料

塑料本身是一种绝缘材料,表面电阻高达1×1013Ω以上,限制了其在防静电、导电等领域的大规模应用。

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。

(2)高密度聚乙烯(PE–HD)/石墨烯复合材料

PE–HD应用广泛,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,由于其固有绝缘性限制了应用领域,因此同样存在一些问题,如材料表面容易积聚电荷等。

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。

具有优异力学性能和抗静电性能的永久抗静电PE–HD复合材料可以在许多行业中得到应用。

2.导热功能塑料

近几十年来,伴随着电子器件性能的快速提高,电子器件散热的有效管理已成为现代电子工业中最为关键的问题之一。通常使用低模量聚

合物基复合材料制成热界面材料来解决这个问题。

石墨烯不仅在导电性能方面发挥重要作用,在开发高导热性能聚合物复合材料中,也显示出巨大的应用前景。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,已引起学术界和工业界的高度重视。

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。

3.增强塑料

除了上述提到的石墨烯能为塑料提供导电导热的特性以外,其还能赋予塑料优异的力学性能。

目前已经有石墨烯在发泡塑料领域的应用,并且应用于包装、军工等领域,也有利用石墨烯的高强度特性,开发新型的石墨烯汽车,使用石墨烯复合塑料做为汽车的骨架及结构件,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最大的两种材料是尼龙(PA)6和尼龙(PA)66。

4.气体阻隔功能塑料

在现代社会中,聚合物包装在易变质物(如食品和药)的保存和分销中起着至关重要的作用。但聚合物基包装材料性能往往受限于对气体和蒸汽的固有渗透性,因此,开发改进的阻隔性塑料的研究已广泛升级。

聚合物纳米复合材料的气体阻隔性主要由3个因素决定:填料性质(气体扩散阻力、长径比和体积分数)、聚合物基体的固有阻隔性和分散质量(团聚/特定界面、中间界面形成的自由体积和填料片层的结构/取向)。

石墨烯具有高透明度、相对较大的长径比和大的比表面积,当其完全剥离并分散在聚合物纳米复合材料中时,会使气体渗透分子经过更长的路径,可大幅提高塑料的气体阻隔性。

石墨烯复合材料改性方法

结构完整的石墨烯表面是由不含任何不稳定键的六元环组合而成的二维晶体,其表面呈惰性状态,是典型的双疏结构,很难在聚合物基体中分散,这严重影响了石墨烯在聚合物改性中的应用。

目前石墨烯/聚合物复合材料主要的制备方法有熔融共混法、溶液混合法、原位聚合法3种。

1.熔融共混法

熔融共混是通过物理混合熔融挤出制备石墨烯/聚合物复合材料。

熔融共混是制备复合材料最经济的方法,也是工业化最合适的方法。但是石墨烯在聚合物基体中的分散效果很差,性能改善不佳,实际中较少采用这种方法。

2.溶液混合法

溶液混合法是目前制备石墨烯/聚合物复合材料的重要方法。该方法简单易行,石墨烯在聚合物中分散性好。缺点是制备过程使用大量的溶剂,去除溶剂过程也会有残留,影响复合材料的性能。

3.原位聚合法

原位聚合是指将单体与石墨烯进行预先混合,使单体分子插入石墨烯层间,然后再引发聚合。

原位聚合是目前解决石墨烯分散的主要方法,通过原位聚合可以得制备分散均匀、相容性好、界面结合力强的石墨烯/聚合物复合材料。

结语

国内对石墨烯改性塑料虽然起步晚,但是发展速度快,面对新兴领域的兴起,各个行业领域会需要性能更高、功能更多的聚合物/石墨烯纳米复合材料。

未来的很长一段时间,除了导电、导热、增强和阻隔等领域,在电磁屏蔽、抗菌、耐摩擦等方面,石墨烯改性塑料研究也将会有着良好的发展前景。

参考来源

欧阳春平等.石墨烯制备、改性及其聚合物复合材料研究进展

邓智鹏等.石墨烯在塑料改性领域中的应用

(来源:中国粉体网)
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