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石墨烯塑料的制备方法及产业化方向分析

11-25 15:19 阻燃材料百科

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料、能源、医学等方面,具有重要的应用前景。


当前,石墨烯的研究与应用开发持续升温。塑料行业可以充分利用石墨烯的功能特点,开发出特殊性能的功能塑料,扩大塑料的应用范围,使传统塑料的性能进一步提升,达到通用塑料工程化、工程塑料高性能化的目标,并且使塑料的附加值进一步提高,给塑料行业带来新的利润增长点,推动传统塑料产业转型升级,促进新旧动能转换。


石墨烯


石墨烯塑料的制备方法


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。


就目前研究所知,对于石墨烯塑料,可以通过对剪切力、温度和极性溶剂的控制来控制石墨烯的分散程度以及石墨烯片层的剥离程度。


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,使其最大程度地分散在聚合物基体中。如将改性氧化石墨烯GO分散在有机溶剂中,还原得到石墨烯RGO,然后与聚合物进行溶液共混制成复合材料。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。该技术能够精确地调节石墨烯/聚合物界面,使石墨烯得到良好分散。


石墨烯塑料的产业化方向


对于石墨烯塑料的产业化及研究方向,主要在导电/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、离子选择透过塑料膜五个方面。


石墨烯01


导电/防静电功能塑料


塑料本身是绝缘材料,表面电阻率高,限制了其在防静电、导电等领域的大规模应用。石墨烯具有优异的导电性能,且长径比较大,填充到塑料基体中,可得到高电导率低逾渗浓度的塑料。


导热功能塑料


塑料的热导率很低,因此限制了其在导热领域的广泛应用。石墨烯-塑料之间的界面耦合作用及石墨烯本身的热导率决定了石墨烯改性塑料的导热性能。


石墨烯添加到塑料中后,能使塑料的热导率由0.1~0.5W/(m·K)增加到5~10W/(m·K),提高10倍以上,使塑料可应用于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,推进器件的轻量化,扩展塑料的应用领域。


高强度塑料


石墨烯的机械强度是钢的100倍,可极大提高塑料的机械性能。普通的泡沫塑料EPS机械强度较低,限制了其部分应用领域。


石墨烯作为添加剂添加到EPS中,其机械强度提高2倍以上,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,大幅降低汽车的重量,节省能源。


高气体阻隔塑料


石墨烯是二维片层结构材料,具有超大的比表面积,并且对气体分子具有优异的阻隔性,添加到塑料中以后,形成的网络结构给气体扩散提供了弯曲的通道,延长了气体扩散路径,可大幅度提高塑料的气体阻隔性。在塑料密封领域,添加石墨烯可开发出耐一定压力的塑料密封圈、密封件。


离子选择透过塑料膜


石墨烯表面改性后可附加不同的基团,通过特定基团的选择与排列,做出智能材料。如:可透过水但不可透过油的膜,可实现油水分离,应用于油污处理等领域。可透过水但不可透过金属离子的膜,应用于工业污水处理、海水淡化、盐化工等领域。



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