石墨烯/聚氯乙烯复合材料性能研究

行业新闻 2020/10/23 09:47


石墨烯(graphene)是由单层碳原子构成的具有独特结构的二维材料。石墨烯独特的二维共轭结构决定了它独特的性质,例如优异的电导率和热导率,良好的机械力学性能、巨大的比表面积以及稳定的物理、化学性质,因此,被看做是制备复合材料的理想成分,广泛用于改性各种聚合物。相比于纯的聚合物,石墨烯的加入可以大幅度优化复合材料在力学、电学和热学方面方面的性能。并且随着石墨烯低成本宏量制备技术的突破,将其添加至聚合物基体中制得高性能复合材料,也是推动石墨烯大规模工业化应用的有效途径之一。

1)导电性

PVC本身是一种绝缘材料,表面很容易产生和积累电荷,会引起静电火花甚至火灾。使用具有防静电性能的PVC制品对保证人身和产品安全具有十分重要的意义。目前,改善PVC材料导电性能的方式主要有以下几种:PVC表面涂覆导电层、与导电聚合物共混、添加导电无机填料或液体抗静电剂等。但是,由于界面结合力弱,导电涂层容易剥离,使用导电聚合物工艺复杂和成本高,液体抗静电剂易从本体向表面迁移。在这种情况下,用固体导电填料是获得具有良好环境稳定性的导电/防静电PVC的有效方法。

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。Valiyaveettil采用溶液共混、滴铸和退火工艺制备了石墨烯/PVC复合薄膜。复合材料的导电性得到明显增加,表面电阻可低于105Ω。同时力学性能得到了显著提高,比如在石墨烯的添加量为2wt.%时,杨氏模量提高了58%,拉伸强度提高了近130%通过对复合材料的热分析,聚合物玻璃化转变温度有所提高,说明热稳定性增强石墨烯/PVC复合材料以其良好的抗静电性能和较高的力学性能,显示出巨大的应用潜力Carbon, 2011, 49(1):198-205.

2)热稳定性

在实际应用中,聚合物基复合材料的热稳定性是一个重要的问题。石墨烯一方面可以吸附PVC热分解产生的Cl-,另一方面石墨烯的片层结构可以延缓PVC的降解,石墨烯片穿插在PVC分子间,形成片层阻隔效应,通过减少外部热流量以保护PVC分子,此过程中共轭多烯骨架发生了热降解,产生了挥发性芳香族化合物和稳定的碳质残渣,从而可显著提高复合材料的热稳定性。

3)力学性能

PVC的力学性能也是衡量其使用范围的重要指标。石墨烯片层对PVC的影响主要存在两个方面:增强作用和石墨烯的网络降低作用。在PVC基体中添加少量的石墨烯,主要起增强作用,石墨烯的存在能有效的抑制PVC分子的链段移动和取向,复合材料的拉伸强度增加;当石墨烯含量超过一定范围后,会形成一个连通的石墨烯网络,使得PVC分子链间距增大,阻隔PVC分子间的相互作用,从而导致抵抗变形能力降低。同时,石墨烯高的径厚比和独特的片层结构,在制备复合材料过程中其易于发生蜷曲,可提高聚氯乙烯的韧性和耐摩擦性能。

目前,石墨烯/PVC复合材料的导电性、冲击强度、硬度等得到了显著提高,但是依然存在一些问题:石墨烯本身易团聚,在PVC基体中分散不均且易破碎,影响复合材料的导电性;石墨烯添加过多会影响复合材料的力学性能响;通过修饰、掺杂等方式可增加石墨烯与集体的亲和性,但是会影响复合材料的导热率,复合材料的导热性有待进一步研究。

结语

近几年,研究人员对石墨烯/PVC复合材料做了很多工作,在很大程度上提高了复合材料的电学、力学以及加工性。对石墨烯纳米填料的分散和分布的精细控制仍然是目前有效增强复合材料力学性能和功能性的主要方法。未来的很长一段时间内,除导电/防静电、增强、耐热等领域外,在电磁屏蔽、抗菌、隔音等方面,石墨烯改性PVC将会有良好的发展前景。

 

 


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