石墨烯改性抗靜電材料的研究進(jìn)展

余呂宏

摘 要：綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)石墨烯及其衍生物在高分子改性技術(shù)上的研究進(jìn)展，包括石墨烯改性的聚氯乙烯、聚烯烴、尼龍、聚苯硫醚以及涂層等。根據(jù)上述的不同的研究方向，對(duì)比了石墨烯與傳統(tǒng)抗靜電劑的使用效果及性能。重點(diǎn)介紹與不同碳系抗靜電劑改性后抗靜電性能的研究現(xiàn)狀，展望了未來(lái)石墨烯改性技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：石墨烯;抗靜電劑;表面電阻率

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油煤炭的資源開(kāi)發(fā)和運(yùn)輸成為了我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，但開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中伴隨的靜電現(xiàn)象成為了嚴(yán)重的安全隱患。材料之間摩擦產(chǎn)生的靜電，往往由于運(yùn)載管道或器材為絕緣的高分子材料，因此靜電無(wú)法泄漏，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的累積，容易產(chǎn)生高負(fù)荷的靜電壓，造成明顯的放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致煤礦井等設(shè)備的爆炸。因此，抗靜電技術(shù)的開(kāi)發(fā)成為了全球關(guān)注的熱點(diǎn)，通過(guò)添加抗靜電劑的方式成為了重要解決措施。

自從2004年至今，石墨烯已廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、新能源汽車、橡膠、健康醫(yī)療等領(lǐng)域。石墨烯材料不僅密度低、強(qiáng)度高，而且具有優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，因此成為了未來(lái)先進(jìn)納米材料的發(fā)展方向。本文通過(guò)以石墨烯或氧化石墨烯作為抗靜電劑，討論了在不同改性高分子領(lǐng)域中的應(yīng)用和現(xiàn)狀，論述其今后的發(fā)展方向。

一、石墨烯材料與氧化石墨烯

石墨烯通常指的是單層或者寡層的石墨薄片，其結(jié)構(gòu)與石墨類似，為二維的蜂窩狀六角晶體結(jié)構(gòu)。由于石墨烯中只有鍵長(zhǎng)為0.142nm的C-C共價(jià)鍵，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有優(yōu)良的柔韌性，因此，使得石墨烯具有質(zhì)輕、高輕度，良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，透光性好和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。但是石墨烯為非極性材料，不僅不能分散于水中，而且與極性材料相容性差。

因此，目前通常采用氧化還原的方法，制備出具有良好水溶性的氧化石墨烯，雖然與石墨烯相比，氧化石墨烯的π-π結(jié)構(gòu)部分發(fā)生的反應(yīng)，降低其導(dǎo)電性能，但較大的比表面積、強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能仍促進(jìn)了氧化石墨烯在高分子改性領(lǐng)域的應(yīng)用。

二、石墨烯改性塑料材料

（一）石墨烯改性的聚氯乙烯材料

聚氯乙烯（PVC）材料由于其良好的耐磨性、耐腐蝕性、阻隔性和阻燃性，廣泛應(yīng)用于煤炭、石化和液體化學(xué)品等物質(zhì)的開(kāi)采和管道輸送中。但PVC材料表面電阻高達(dá)1014-1017Ω，容易產(chǎn)生靜電危害。目前常用的導(dǎo)電填料，如炭黑和其他化學(xué)抗靜電劑，均對(duì)PVC性能影響較大。因此付世創(chuàng)等[1]通過(guò)添加3份石墨烯和1份PE蠟制備表面電阻低至106Ω，拉伸強(qiáng)度高達(dá)55MPa的PVC管材。

把非極性分散劑添加到PVC材料當(dāng)中，可有效降低與石墨烯材料之間的界面能，達(dá)到更好的分散效果，在熔融過(guò)程中避免石墨烯發(fā)生團(tuán)聚的問(wèn)題。其中PE蠟因含有非極性亞甲基鏈，與石墨烯有較好相容性，對(duì)其分散性能有較好的改善，同時(shí)在熔融共混過(guò)程中，解決石墨烯材料產(chǎn)生團(tuán)聚的問(wèn)題。經(jīng)石墨烯改性后的PVC材料，不僅改善了PVC的塑化性能，而且可用于耐高壓的供排水管、正負(fù)壓風(fēng)管以及排放瓦斯管等領(lǐng)域。

（二）石墨烯改性的聚烯烴材料

與PVC材料相似，聚烯烴同樣具有較高的體積電導(dǎo)率，一般高達(dá)1016-1018Ω·m，屬于絕緣材料。但由于聚烯烴材料具有良好的耐水性、耐化學(xué)性和力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于日常生活的產(chǎn)品中，如薄膜、管材和板材等。

有研究表面添加25份抗靜電劑，以及相容劑改性可制得表面電阻率達(dá)2.2×109Ω的PP材料。與常規(guī)抗靜電劑相比，碳系抗靜電劑包括炭黑、石墨、碳纖維和石墨烯，不僅有效地改善其抗靜電性能，而且對(duì)聚烯烴基材有良好的增強(qiáng)作用，同時(shí)具有密度低、物理性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

（三）石墨烯改性的尼龍材料

與通用塑料相比，工程塑料具有高強(qiáng)度、密度小和耐腐蝕性優(yōu)點(diǎn)，已逐步替代傳統(tǒng)金屬材料。但隨著環(huán)保要求的日前提高，與石油基材料相比，生物基聚酰胺類材料PA610，PA612和PA1010等也得到更多重視。其中以PA612為例，其表面電阻率為1014Ω。佘進(jìn)娟等[3]通過(guò)添加不同的碳系抗靜電，對(duì)比其對(duì)PA612的影響，同樣添加量為5%，導(dǎo)電炭黑改性的PA612表面電阻率無(wú)變化，仍為1014Ω，石墨烯改性的PA612表面電阻率為108Ω，而碳納米管改性的PA612表面電阻率達(dá)到107Ω。實(shí)驗(yàn)證明，石墨烯和碳納米管在尼龍材料上具有更好的抗靜電改性效果，雖然石墨烯改性的PA612材料表面電阻比碳納米管改性的高一個(gè)數(shù)量級(jí)，但結(jié)合成本計(jì)算，石墨烯尼龍改性材料在未來(lái)更具有發(fā)展前景。

三、石墨烯改性涂層材料

除了在塑料改性方面，石墨烯改性技術(shù)也常用于涂料改性，目前主要應(yīng)用于聚氨酯涂層中。但隨著石化化工資源的日益減少，天然可再生的生漆/桐油涂料是一個(gè)更好的替代產(chǎn)品。生漆-桐油不僅具有良好的機(jī)械防腐蝕性能，而且在我國(guó)種植面積廣，產(chǎn)量較大，有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。但生漆/桐油涂料本身不導(dǎo)電，因此外添加抗靜電劑可有效地改善這一問(wèn)題。萬(wàn)長(zhǎng)鑫等對(duì)比了不同碳系抗靜電劑的結(jié)果，表面采用0.6%石墨烯填充的生漆/桐油復(fù)合涂層材料，表面電阻由1014Ω降低至107Ω，同時(shí)提高了涂層的耐沖擊性和柔韌性，而且改善了其附著性能。與傳統(tǒng)的炭黑、石墨等碳系抗靜電劑相比，石墨烯的添加量?jī)H為上述助劑的5-10%，因此隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，生產(chǎn)成本的逐步降低，石墨烯有可能成為進(jìn)口抗靜電填料的重要發(fā)展方向。

四、結(jié)論

綜上所述，在塑料或涂層材料中外添加抗靜電劑的方法不僅制備工藝簡(jiǎn)便，而且適應(yīng)性廣，材料電阻可調(diào)范圍大，日益受國(guó)內(nèi)外研究人員的重視，隨著石墨烯、碳納米管等新型抗靜電劑的應(yīng)用，進(jìn)一步推進(jìn)了石墨烯改性技術(shù)在防靜電功能上的發(fā)展。雖然目前石墨烯材料成本仍比較高，但隨著石墨烯改性和表面修飾技術(shù)日益成熟，生產(chǎn)能力逐步提高，而且更低的添加量，也有利于環(huán)保型抗靜電改性/復(fù)合材料的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]付世創(chuàng)，莊鵬程，張凌.石墨烯/PVC材料抗靜電材料的開(kāi)發(fā)[J].聚氯乙烯，2018，46（6）：15-17.

[2]佘進(jìn)娟，王承剛，張雪鋒，任業(yè)偉，高福欣.增強(qiáng)增韌抗靜電尼龍612材料的制備及性能[J].工程塑料應(yīng)用，2017，45（6）：52-55.

[3]萬(wàn)長(zhǎng)鑫，肖邵博，黃瓊濤，曠春桃，楊焰，廖有為.石墨烯/生漆復(fù)合抗靜電涂層的制備與性能[J].腐蝕與防護(hù)，2017，38（7）：533-536.