一種新方法規(guī)模化生產(chǎn)FGS,并為高性能聚合物納米復(fù)合材料提供了良好的應(yīng)用潛力。

石墨烯的應(yīng)用需要一種高產(chǎn)量,低成本,可擴展的生產(chǎn)方法,但仍具有很高的挑戰(zhàn)性。本文,復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點實驗室盧紅斌課題組在《J. Appl. Polym. Sci》期刊發(fā)表名為“High‐yield water‐phase exfoliated few‐defect graphene for high performance polymer nanocomposites”的論文,研究報告一種水相技術(shù),以具有超高比表面積的化學(xué)膨脹石墨為基礎(chǔ),生產(chǎn)出具有高剝離率(92%)的極少缺陷的石墨烯納米片(FGS),并展示了其在石墨烯聚合物納米復(fù)合材料中的應(yīng)用。

剝落的FGS具有較低的氧化度,并保留了良好的機械和電氣性能,具有改善聚合物復(fù)合材料綜合性能的潛力。當(dāng)將0.5 wt%的FGS摻入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中時,相對于純凈聚合物,5%的失重溫度和儲能模量分別增加了87°C和21%。隨著FGS含量增加到4.6 wt%,復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高25°C。此外,該復(fù)合材料的滲透閾值低至0.25 vol%,并且具有出色的導(dǎo)電性(對于2.7 vol%的FGS-PMMA復(fù)合材料,其滲透率為50S/m)。

高產(chǎn)量水相制備極少缺陷石墨烯,用于高性能聚合物納米復(fù)合材料?
圖1、FGS板材的制備過程示意圖

 

高產(chǎn)量水相制備極少缺陷石墨烯,用于高性能聚合物納米復(fù)合材料?
圖2、(a,b)具有不同放大倍率的FGS薄片的TEM圖像,(c)FGS薄片的HRTEM圖像,(d)FGS薄片的電子衍射圖,(e)FGS薄片的AFM圖像,以及( f)剝落的FGS板的厚度分布。
高產(chǎn)量水相制備極少缺陷石墨烯,用于高性能聚合物納米復(fù)合材料?
圖3、在水中尖端超聲處理1小時后,(a)帶OP-15的CEG,(b)LCEG和(c)帶OP-15的LCEG水溶液的光學(xué)圖像。(d–f)分別從a,b和c獲得的產(chǎn)品的相應(yīng)TEM圖像。
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圖4、各種石墨烯含量分別為(a)0.5 wt%,(b)1 wt%,(c)1.6 wt%和(d)4.6 wt%的PG復(fù)合材料的TEM圖像。TEM,透射電子顯微鏡
高產(chǎn)量水相制備極少缺陷石墨烯,用于高性能聚合物納米復(fù)合材料?
圖5、具有不同F(xiàn)GS含量的PG復(fù)合材料的熱機械性能
高產(chǎn)量水相制備極少缺陷石墨烯,用于高性能聚合物納米復(fù)合材料?
圖6、(a)P-G復(fù)合材料的電導(dǎo)率與FGS體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系,插圖根據(jù)滲流定律顯示數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果; (b)包含P-G復(fù)合材料薄層的導(dǎo)電路徑由紐扣電池施加的3 V電壓下FGS的含量為5 wt%。FGS,缺陷少的石墨烯片

通過在表面活性劑OP-15存在下對水中的輕度氧化CEG進(jìn)行1小時的尖端超聲處理,我們已經(jīng)成功地以高產(chǎn)率制備了幾層石墨烯片。這種簡單、有效的水相剝離法制備石墨烯納米片的方法在高性能聚合物復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用中具有很大的潛力。

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