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石墨烯塑料(石墨烯改性塑料復(fù)合材料)性能的優(yōu)劣與其制備過(guò)程中的加工條件是分不開(kāi)的。不同的制備方法導(dǎo)致石墨烯在基體中的分散性、界面作用和空間結(jié)構(gòu)均有所不同，而這些因素則決定了復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度、韌性和延展性等。

就目前研究所知，對(duì)于石墨烯塑料，可以通過(guò)對(duì)剪切力、溫度和極性溶劑的控制來(lái)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(xué)方法方面應(yīng)用較多的有原位聚合法、乳液混合法、層層自組裝技術(shù)(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(jī)溶劑中，還原得到石墨烯RGO，然后與聚合物進(jìn)行溶液共混制成復(fù)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(tài)而得到了廣泛的應(yīng)用;但該方法需要使用有機(jī)溶劑，會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響。

熔融共混法

熔融共混法是一種無(wú)溶劑制備方法，利用擠出機(jī)產(chǎn)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(tài)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(shí)用的方法，其工藝較為簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低成本制備，但是較高的溫度和局部壓力會(huì)影響復(fù)合材料各成分的穩(wěn)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(fā)反應(yīng)，最后制得復(fù)合材料。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，這種方法沒(méi)有破壞復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，不過(guò)原位聚合法的反應(yīng)條件難以確定，加入導(dǎo)熱添加劑后會(huì)對(duì)聚合物產(chǎn)生不確定影響。

乳液混合法

乳液混合法則利用了經(jīng)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(guò)還原制備石墨烯/聚合物復(fù)合材料。同熔融共混法相比，乳液混合法制備的復(fù)合材料具有更好的分散效果和空間穩(wěn)定性，而且該方法不使用有機(jī)溶劑，不破壞環(huán)境。

層層自組裝技術(shù)(LbL)

層層自組裝技術(shù)(LbL)在制備高強(qiáng)超薄薄膜、細(xì)胞膜和高強(qiáng)涂料方面很有優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能夠精確地調(diào)節(jié)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(chǎn)業(yè)化方向

對(duì)于石墨烯塑料的產(chǎn)業(yè)化及研究方向，主要在導(dǎo)電/防靜電功能塑料、導(dǎo)熱功能塑料、高強(qiáng)度塑料、高氣體阻隔塑料、離子選擇透過(guò)塑料膜五個(gè)方面。

導(dǎo)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(dǎo)電等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，且長(zhǎng)徑比較大，填充到塑料基體中，可得到高電導(dǎo)率低逾滲濃度的塑料。

導(dǎo)熱功能塑料

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

石墨烯添加到塑料中后，能使塑料的熱導(dǎo)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(yīng)用于LED燈的散熱件、汽車(chē)散熱件、電子電器散熱殼體等領(lǐng)域，取代部分金屬鋁等常用散熱材料，推進(jìn)器件的輕量化，擴(kuò)展塑料的應(yīng)用領(lǐng)域。

高強(qiáng)度塑料

石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度是鋼的100倍，可極大提高塑料的機(jī)械性能。普通的泡沫塑料EPS機(jī)械強(qiáng)度較低，限制了其部分應(yīng)用領(lǐng)域。

石墨烯作為添加劑添加到EPS中，其機(jī)械強(qiáng)度提高2倍以上，目前已經(jīng)有石墨烯在發(fā)泡塑料領(lǐng)域的應(yīng)用，并且應(yīng)用于包裝、軍工等領(lǐng)域。也有利用石墨烯的高強(qiáng)度特性，開(kāi)發(fā)新型的石墨烯汽車(chē)，使用石墨烯復(fù)合塑料做為汽車(chē)的骨架及結(jié)構(gòu)件，大幅降低汽車(chē)的重量，節(jié)省能源。

高氣體阻隔塑料

石墨烯是二維片層結(jié)構(gòu)材料，具有超大的比表面積，并且對(duì)氣體分子具有優(yōu)異的阻隔性，添加到塑料中以后，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)給氣體擴(kuò)散提供了彎曲的通道，延長(zhǎng)了氣體擴(kuò)散路徑，可大幅度提高塑料的氣體阻隔性。在塑料密封領(lǐng)域，添加石墨烯可開(kāi)發(fā)出耐一定壓力的塑料密封圈、密封件。

離子選擇透過(guò)塑料膜

石墨烯表面改性后可附加不同的基團(tuán)，通過(guò)特定基團(tuán)的選擇與排列，做出智能材料。如：可透過(guò)水但不可透過(guò)油的膜，可實(shí)現(xiàn)油水分離，應(yīng)用于油污處理等領(lǐng)域。可透過(guò)水但不可透過(guò)金屬離子的膜，應(yīng)用于工業(yè)污水處理、海水淡化、鹽化工等領(lǐng)域。