石墨烯/聚苯乙烯復合材料的制備及性能研究

陳繼兵 賀戰文 李菊英 吳艷 羅強

【摘?要】聚苯乙烯（PS）的可加工性較好、成型收縮率小、價格低廉、應用廣泛，但其硬而脆，耐熱性、力學性能和導電性較差，石墨烯在光學、電學、熱學等各方面具備優越的功能，將石墨烯與聚苯乙烯復合能夠有效改善其綜合功能。本文列舉了石墨烯/聚苯乙烯復合材料的制備方法;講述了復合材料熱性能、電性能和力學性能方面的研究及發展。

【關鍵詞】石墨烯;聚苯乙烯;復合材料

1 石墨烯和聚苯乙烯

1.1石墨烯

石墨烯是一種由碳原子形成的單層片狀構造的新型材料。石墨烯的制備有很多方法，目前常見的方法有：①機械剝離法②化學氧化法③晶體外延生長法④化學氣相沉積法⑤有機合成法⑥碳納米管剝離法。其中化學氣相沉積法是目前最有效的方法，這種方法制得的石墨烯質量高，表面積較大，但成本較高，技術不完善，在實驗室，人們常用氧化還原法制得石墨烯[1]。石墨烯內碳原子的陳列方式與石墨單原子層一樣，每個碳原子都貢獻一個未成鍵電子，相鄰原子形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態。石墨烯中的碳原子的配位數為3，鍵與鍵之間的夾角為120°。石墨烯可想像為由碳原子和其共價鍵所形成的原子尺寸網。如果外力施加于石墨烯時，碳原子面就會彎曲形變，這使得碳原子不需要從新排列來緩沖外力，從而保持結構的穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有良好的導熱性。

1.2聚苯乙烯

聚苯乙烯（PS）于1839年被德國人首次從天然樹脂中提煉出來，無色透明，屬于熱塑性塑料。PS是由苯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。聚合方法有本體聚合、懸浮聚合、乳液聚合、溶液聚合等多種方式，其中本體聚合獲得的聚苯乙烯純凈度最高。聚苯乙烯主要應用于建筑、包裝、汽車、日用品等多個方面。

2 石墨烯/聚苯乙烯復合材料的制備方法

現有制備石墨烯/聚苯乙烯的方法有熔融共混法、溶液共混法、原位乳液聚合法、靜電自組裝法等。

2.1 熔融共混法

熔融共混法是將石墨烯直接加入到聚苯乙烯中，當溫度達到聚苯乙烯熔點以上時，利用混料機的高速剪切力將石墨烯和聚苯乙烯混合均勻。優點是操作簡單、容易實施、綠色環保、經濟成本比較低;缺點是石墨烯分散性差、強剪切力容易撕裂石墨烯結構、界面結合力弱。

2.2 溶液共混法

溶液共混法是利用溶劑將聚苯乙烯和改性石墨烯或GO溶解，在超聲或攪拌等作用下，使聚合物插入改性石墨烯或GO片層中，將GO還原后，通過揮發或絮凝等去除溶劑，獲得復合材料。制備石墨烯/聚苯乙烯復合材料的常用溶劑有 NN-二甲基甲酰胺、四氫呋喃、二氯甲烷、丙酮等。優點是易于操作、應用廣泛、分散性較熔融共混法好;缺點是有機溶劑無法完全去除、相互作用力弱、對環境污染較大[3]。

2.3 原位乳液聚合法

原位乳液聚合法是指將聚苯乙烯單體、乳化劑、石墨烯衍生物等混合后，石墨烯衍生物表面的小分子與聚苯乙烯單體通過化學鍵、π-π堆積等作用共價鍵合、吸附或進行自由基聚合形成復合材料。優點是石墨烯分散均勻，與基體結合力強、反應產物可通過改變反應條件控制、條件溫和、綠色環保;缺點是反應復雜，成本較高。

2.4 靜電自組裝法

靜電自組裝法是以層與層之間為基礎，正、負電荷的吸引力來構筑復合材料，除靜電引力外，還有如氫鍵、配位鍵等較弱的相互作用。首先需合成表面帶正電的聚苯乙烯微球（PS +），GO與PS +間通過靜電引力和π-π作用進行自組裝，最后對吸附在聚苯乙烯表面的GO還原，得到了石墨烯/聚苯乙烯復合材料。優點是產物的形貌、包覆層數、粒徑、組成等可調控、產物形態規整;缺點是結構穩定性較差、對體系要求嚴格，微量雜質即可導致產物畸形。

3 石墨烯/聚苯乙烯復合材料的性能

3.1熱性能

石墨烯/聚苯乙烯復合材料可以明顯降低表面熱阻，改善基體的熱性能。經研究，石墨烯和碳納米管均能提高聚苯乙烯熱穩定性，但石墨烯的效果更好。當含量為10%時，石墨烯/聚苯乙烯復合材料的起始分解溫度與純聚苯乙烯的起始分解溫度相比，提高了約38℃，可通過增強石墨烯與聚苯乙烯之間的界面結合力來充分發揮石墨烯的熱傳遞“阻隔”作用[4]。基于其熱阻隔性能，可將石墨烯/聚苯乙烯作為阻燃材料。石墨烯本身是一種阻燃劑，石墨烯與聚合物復合可以減少氣體進入，加速熱量散失，吸附燃燒產生的有機揮發物等。而且石墨烯的添加減少了聚苯乙烯的燃燒時間，其熱釋放速率也比純聚苯乙烯小[5]。

3.2電性能

將少量石墨烯加入聚苯乙烯可得到滲流閾值（fc），這樣既節約成本，又能保持聚苯乙烯良好的加工性。如果采用靜電自組裝法制得石墨烯/聚苯乙烯復合材料，其fc低至0.054%，電導率在1.53%時達到46.32 S/m。經過研究，發現石墨烯/聚苯乙烯復合材料促進了多巴胺和電子之間的轉移，即對多巴胺具有電催化活性。因此可以用石墨烯/聚苯乙烯復合材料修飾的玻碳電極對多巴胺進行靈敏穩定的檢測，多巴胺在純玻碳電極上的氧化峰值為2.68μA，與之相比，在經過石墨烯/聚苯乙烯修飾后的玻碳電極上，多巴胺的氧化峰值電流增加至46.44μA，約放大了15倍[6]。

3.3力學性能

石墨烯和它的衍生物可以承擔部分載荷，提高復合材料的力學性能。研究表明，在石墨烯/聚苯乙烯復合材料中，當石墨烯含量僅為0.5%時，復合材料的拉伸強度比純聚苯乙烯提高了64%，而且復合材料的楊氏模量比純聚苯乙烯分別提高了77%。但是如果只添加石墨烯仍然無法改變聚苯乙烯質脆的弱點，所以想要解決這一問題，需和其他柔性粒子復合使用[7]。

參考文獻：

[1]任芳，朱光明，任鵬剛. 納米石墨烯復合材料的制備及應用研究進展[J].復合材料學報，2014，31（2）：263-272.

[2]曹宇臣，郭鳴明.石墨烯材料及其應用[J].石油化工.2016，45（10）：1149-1159

[3]陳中華，肖艷紅. Pickering 乳液聚合法制備聚丙烯酸酯/納米SiO2復合乳液及其在涂料中的潛在應用[J].電鍍與涂飾，2018，37（6）：236-241.

作者簡介：

陳繼兵，1979，男，漢族，湖北省，研究生，武漢輕工大學，副教授，材料成型技術。

（作者單位：武漢輕工大學?機械工程學院）