石墨烯塑料的制備方法

　　石墨烯塑料(石墨烯改性塑料復合材料)性能的優劣與其制備過程中的加工條件是分不開的。不同的制備方法導致石墨烯在基體中的分散性、界面作用和空間結構均有所不同，而這些因素則決定了復合材料的剛度、強度、韌性和延展性等。


　　就目前研究所知，對于石墨烯塑料，可以通過對剪切力、溫度和極性溶劑的控制來控制石墨烯的分散程度以及石墨烯片層的剝離程度。

　　石墨烯塑料的物理制備方法包括溶液混合法和熔融共混法，化學方法方面應用較多的有原位聚合法、乳液混合法、層層自組裝技術(LbL)等。

　　溶液混合法

　　溶液混合法是將石墨烯材料(GO、RGO)在溶劑中溶解制得懸浮的單層石墨烯，使其最大程度地分散在聚合物基體中。如將改性氧化石墨烯GO分散在有機溶劑中，還原得到石墨烯RGO，然后與聚合物進行溶液共混制成復合材料。溶液混合法能將石墨烯較好地分散在聚合物基體中。這種方法因其分散效果好、制備速度快以及能夠很好地控制各成分的狀態而得到了廣泛的應用;但該方法需要使用有機溶劑，會對環境造成不良影響。

　　熔融共混法

　　熔融共混法是一種無溶劑制備方法，利用擠出機產生的剪切力克服界面作用力將填料分散在聚合物熔體中。熔融共混中由于分別制備石墨烯和聚合物，因此石墨烯的尺寸與形態可控，但是石墨烯在聚合物基體中集聚而不易分散，并且與聚合物的界面作用較差。熔融共混法是制備石墨烯塑料比較實用的方法，其工藝較為簡單，可實現大規模低成本制備，但是較高的溫度和局部壓力會影響復合材料各成分的穩定性。

　　原位聚合法

　　原位聚合法是將石墨烯與聚合物單體混合，然后加入催化劑引發反應，最后制得復合材料。通過檢測發現，這種方法沒有破壞復合材料的熱穩定性，不過原位聚合法的反應條件難以確定，加入導熱添加劑后會對聚合物產生不確定影響。

　　乳液混合法

　　乳液混合法則利用了經表面改性的石墨烯在水中的良好分散性，將其分散液與聚合物乳液混合，然后通過還原制備石墨烯/聚合物復合材料。同熔融共混法相比，乳液混合法制備的復合材料具有更好的分散效果和空間穩定性，而且該方法不使用有機溶劑，不破壞環境。

　　層層自組裝技術(LbL)

　　層層自組裝技術(LbL)在制備高強超薄薄膜、細胞膜和高強涂料方面很有優勢。該技術能夠精確地調節石墨烯/聚合物界面，使石墨烯得到良好分散。


　　石墨烯塑料的產業化方向

　　對于石墨烯塑料的產業化及研究方向，主要在導電/防靜電功能塑料、導熱功能塑料、高強度塑料、高氣體阻隔塑料、離子選擇透過塑料膜五個方面。

　　導電/防靜電功能塑料

　　塑料本身是絕緣材料，表面電阻率高，限制了其在防靜電、導電等領域的大規模應用。石墨烯具有優異的導電性能，且長徑比較大，填充到塑料基體中，可得到高電導率低逾滲濃度的塑料。

　　導熱功能塑料

　　塑料的熱導率很低，因此限制了其在導熱領域的廣泛應用。石墨烯-塑料之間的界面耦合作用及石墨烯本身的熱導率決定了石墨烯改性塑料的導熱性能。

　　石墨烯添加到塑料中后，能使塑料的熱導率由0.1～0.5W/(m·K)增加到5～10W/(m·K)，提高10倍以上，使塑料可應用于LED燈的散熱件、汽車散熱件、電子電器散熱殼體等領域，取代部分金屬鋁等常用散熱材料，推進器件的輕量化，擴展塑料的應用領域。

　　高強度塑料

　　石墨烯的機械強度是鋼的100倍，可極大提高塑料的機械性能。普通的泡沫塑料EPS機械強度較低，限制了其部分應用領域。

　　石墨烯作為添加劑添加到EPS中，其機械強度提高2倍以上，目前已經有石墨烯在發泡塑料領域的應用，并且應用于包裝、軍工等領域。也有利用石墨烯的高強度特性，開發新型的石墨烯汽車，使用石墨烯復合塑料做為汽車的骨架及結構件，大幅降低汽車的重量，節省能源。

　　高氣體阻隔塑料

　　石墨烯是二維片層結構材料，具有超大的比表面積，并且對氣體分子具有優異的阻隔性，添加到塑料中以后，形成的網絡結構給氣體擴散提供了彎曲的通道，延長了氣體擴散路徑，可大幅度提高塑料的氣體阻隔性。在塑料密封領域，添加石墨烯可開發出耐一定壓力的塑料密封圈、密封件。

　　離子選擇透過塑料膜

　　石墨烯表面改性后可附加不同的基團，通過特定基團的選擇與排列，做出智能材料。如：可透過水但不可透過油的膜，可實現油水分離，應用于油污處理等領域。可透過水但不可透過金屬離子的膜，應用于工業污水處理、海水淡化、鹽化工等領域。