一种新方法规模化生产FGS,并为高性能聚合物纳米复合材料提供了良好的应用潜力。

石墨烯的应用需要一种高产量,低成本,可扩展的生产方法,但仍具有很高的挑战性。本文,复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室卢红斌课题组在《J. Appl. Polym. Sci》期刊发表名为“High‐yield water‐phase exfoliated few‐defect graphene for high performance polymer nanocomposites”的论文,研究报告一种水相技术,以具有超高比表面积的化学膨胀石墨为基础,生产出具有高剥离率(92%)的极少缺陷的石墨烯纳米片(FGS),并展示了其在石墨烯聚合物纳米复合材料中的应用。

剥落的FGS具有较低的氧化度,并保留了良好的机械和电气性能,具有改善聚合物复合材料综合性能的潜力。当将0.5 wt%的FGS掺入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中时,相对于纯净聚合物,5%的失重温度和储能模量分别增加了87°C和21%。随着FGS含量增加到4.6 wt%,复合材料的玻璃化转变温度升高25°C。此外,该复合材料的渗透阈值低至0.25 vol%,并且具有出色的导电性(对于2.7 vol%的FGS-PMMA复合材料,其渗透率为50S/m)。

高产量水相制备极少缺陷石墨烯,用于高性能聚合物纳米复合材料​
图1、FGS板材的制备过程示意图

 

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图2、(a,b)具有不同放大倍率的FGS薄片的TEM图像,(c)FGS薄片的HRTEM图像,(d)FGS薄片的电子衍射图,(e)FGS薄片的AFM图像,以及( f)剥落的FGS板的厚度分布。
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图3、在水中尖端超声处理1小时后,(a)带OP-15的CEG,(b)LCEG和(c)带OP-15的LCEG水溶液的光学图像。(d–f)分别从a,b和c获得的产品的相应TEM图像。
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图4、各种石墨烯含量分别为(a)0.5 wt%,(b)1 wt%,(c)1.6 wt%和(d)4.6 wt%的PG复合材料的TEM图像。TEM,透射电子显微镜
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图5、具有不同FGS含量的PG复合材料的热机械性能
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图6、(a)P-G复合材料的电导率与FGS体积分数的关系,插图根据渗流定律显示数据的拟合结果; (b)包含P-G复合材料薄层的导电路径由纽扣电池施加的3 V电压下FGS的含量为5 wt%。FGS,缺陷少的石墨烯片

通过在表面活性剂OP-15存在下对水中的轻度氧化CEG进行1小时的尖端超声处理,我们已经成功地以高产率制备了几层石墨烯片。这种简单、有效的水相剥离法制备石墨烯纳米片的方法在高性能聚合物复合材料的工业应用中具有很大的潜力。

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