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自2004年，由海姆和諾沃肖洛夫首先制備出石墨烯以來，作為世界上最薄的二維材料，在學術界和工業(yè)界總能掀起一波又一波的研究熱潮。

十幾年來，在各行各業(yè)，石墨烯不斷煥發(fā)生機，憑依著性能優(yōu)異、成本低廉、可加工性好等眾多優(yōu)點，廣泛地應用于交通、建筑、包裝、家電、醫(yī)療、體育、電子、機械、航空航天等領域，有效的擴大了市場范圍。

目前，將具有優(yōu)異性能的石墨烯用于塑料改性，已逐漸成為一種新的熱點。人們預測，有望在二十一世紀掀起一場新的技術革命。

石墨烯改性塑料的應用

目前，國內(nèi)外對石墨烯改性塑料的研究成果豐碩，主要集中在石墨烯改善塑料的導電性、導熱性、力學性能和阻隔性能等方面。

石墨烯改性后的塑料性能更為優(yōu)異，能帶來新的市場，以下是較為成熟，頗具市場前景的四種改性塑料。

1.防靜電功能塑料

（1）聚氯乙烯(PVC)／石墨烯復合材料

塑料本身是一種絕緣材料，表面電阻高達1×10¹³Ω以上，限制了其在防靜電、導電等領域的大規(guī)模應用。

石墨烯作為一種新興導電填料，不僅具有優(yōu)異的力學性能，電子遷移率非常高，且橫縱比較大，填充到塑料基體中，可得到高電導率低逾滲濃度的塑料。

（2）高密度聚乙烯(PE–HD)／石墨烯復合材料

PE–HD應用廣泛，具有成本低、力學性能好、絕緣性能好、熱穩(wěn)定性好和加工方便等優(yōu)點。但是，由于其固有絕緣性限制了應用領域，因此同樣存在一些問題，如材料表面容易積聚電荷等。

石墨烯納米片(GNP)的加入可使材料導電性能得到改善，并且采用聚苯胺(PANI)用于封裝GNP，其可減少成本并能提升GNP在PE–HD中的分散性和相容性。

具有優(yōu)異力學性能和抗靜電性能的永久抗靜電PE–HD復合材料可以在許多行業(yè)中得到應用。

2.導熱功能塑料

近幾十年來，伴隨著電子器件性能的快速提高，電子器件散熱的有效管理已成為現(xiàn)代電子工業(yè)中最為關鍵的問題之一。通常使用低模量聚

合物基復合材料制成熱界面材料來解決這個問題。

石墨烯不僅在導電性能方面發(fā)揮重要作用，在開發(fā)高導熱性能聚合物復合材料中，也顯示出巨大的應用前景。添加石墨烯后，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，從而推進器件的輕量化，已引起學術界和工業(yè)界的高度重視。

目前發(fā)展較好的復合材料有：熱塑性聚氨酯(PUR-T)／石墨烯復合材料、尼龍(PA)6／石墨烯復合材料、聚丙烯(PP)／石墨烯復合材料等。

3.增強塑料

除了上述提到的石墨烯能為塑料提供導電導熱的特性以外，其還能賦予塑料優(yōu)異的力學性能。

目前已經(jīng)有石墨烯在發(fā)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(fā)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，滿足汽車向輕量化發(fā)展和低能耗等需求。

當前，石墨烯在工程塑料用量最大的兩種材料是尼龍（PA）6和尼龍(PA)66。

4.氣體阻隔功能塑料

在現(xiàn)代社會中，聚合物包裝在易變質(zhì)物(如食品和藥)的保存和分銷中起著至關重要的作用。但聚合物基包裝材料性能往往受限于對氣體和蒸汽的固有滲透性，因此，開發(fā)改進的阻隔性塑料的研究已廣泛升級。

聚合物納米復合材料的氣體阻隔性主要由3個因素決定：填料性質(zhì)(氣體擴散阻力、長徑比和體積分數(shù))、聚合物基體的固有阻隔性和分散質(zhì)量(團聚／特定界面、中間界面形成的自由體積和填料片層的結構／取向)。

石墨烯具有高透明度、相對較大的長徑比和大的比表面積，當其完全剝離并分散在聚合物納米復合材料中時，會使氣體滲透分子經(jīng)過更長的路徑，可大幅提高塑料的氣體阻隔性。

石墨烯復合材料改性方法

結構完整的石墨烯表面是由不含任何不穩(wěn)定鍵的六元環(huán)組合而成的二維晶體，其表面呈惰性狀態(tài)，是典型的雙疏結構，很難在聚合物基體中分散，這嚴重影響了石墨烯在聚合物改性中的應用。

目前石墨烯/聚合物復合材料主要的制備方法有熔融共混法、溶液混合法、原位聚合法3種。

1.熔融共混法

熔融共混是通過物理混合熔融擠出制備石墨烯/聚合物復合材料。

熔融共混是制備復合材料最經(jīng)濟的方法，也是工業(yè)化最合適的方法。但是石墨烯在聚合物基體中的分散效果很差，性能改善不佳，實際中較少采用這種方法。

2.溶液混合法

溶液混合法是目前制備石墨烯/聚合物復合材料的重要方法。該方法簡單易行，石墨烯在聚合物中分散性好。缺點是制備過程使用大量的溶劑，去除溶劑過程也會有殘留，影響復合材料的性能。

3.原位聚合法

原位聚合是指將單體與石墨烯進行預先混合，使單體分子插入石墨烯層間，然后再引發(fā)聚合。

原位聚合是目前解決石墨烯分散的主要方法，通過原位聚合可以得制備分散均勻、相容性好、界面結合力強的石墨烯/聚合物復合材料。

結語

國內(nèi)對石墨烯改性塑料雖然起步晚，但是發(fā)展速度快，面對新興領域的興起，各個行業(yè)領域會需要性能更高、功能更多的聚合物／石墨烯納米復合材料。

未來的很長一段時間，除了導電、導熱、增強和阻隔等領域，在電磁屏蔽、抗菌、耐摩擦等方面，石墨烯改性塑料研究也將會有著良好的發(fā)展前景。