如何利用氧化石墨烯改性增加PP？

利用石墨烯改性PP ? ? ?

目前, 聚丙烯 (PP) 是生產(chǎn)及用量最大的熱塑性塑料, 其具有電絕緣性、耐化學(xué)腐蝕性及耐疲勞性好等優(yōu)點(diǎn), 缺點(diǎn)是低溫脆性大 (脆性溫度-35℃) , 耐老化性、耐熱性及阻燃性較差, 并且PP塑料制品易產(chǎn)生靜電積累及靜電危害。聚丙烯廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)配件、電子儀器、包裝材料、管材管件和日常用品等, 耐熱、阻燃、耐老化性能方面的缺陷限制了聚丙烯的應(yīng)用。目前, 主要通過(guò)物理和化學(xué)改性的方法提高PP的性能, 通過(guò)填充微米及納米級(jí)的黏土和碳納米管以及共混和化學(xué)結(jié)構(gòu)改變等方法可以使PP樹(shù)脂及其復(fù)合材料的力學(xué)、耐熱、阻燃等性能有一定程度提高, 但是PP樹(shù)脂在導(dǎo)熱、耐熱及阻燃性能等方面存在不足, 依然是影響其應(yīng)用的主要問(wèn)題, 因此, 對(duì)于PP樹(shù)脂進(jìn)行改性一直是研究熱點(diǎn)。

氧化石墨烯(GO) 的結(jié)構(gòu)與石墨烯類(lèi)似, 具有蜂窩狀的結(jié)構(gòu)形貌, 具有很好的強(qiáng)度和柔韌性, 具有一定的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能, 與高分子材料形成復(fù)合材料, 具有增強(qiáng)增韌、提高耐熱性能及消除靜電的作用。因此, GO改性PP樹(shù)脂具有以下優(yōu)勢(shì):

(1) GO的制備工藝簡(jiǎn)單, 成本較低；

(2) GO片層的尺寸及所帶的羧基、羰基和羥基等化學(xué)基團(tuán)的數(shù)量可以通過(guò)調(diào)整制備過(guò)程及條件進(jìn)行控制;

(3) GO與PP性能互補(bǔ)性強(qiáng), 通過(guò)在PP中摻入少量的GO可以顯著提高PP的力學(xué)、耐熱、阻燃等性能。

氧化石墨烯改性PP的力學(xué)性能 ? ? ?

圖1圖2為氧化石墨烯改性PP材料的力學(xué)性能。圖1為GO摻量對(duì)氧化石墨烯改性PP材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響。從圖1可以看出, 隨著GO摻量從0.1%增加到0.4%, 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度依次增加, 而且依次增加的幅度較大;GO摻量在0.4%～0.6%時(shí),氧化石墨烯改性PP材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度依然依次增加, 但增幅明顯減小;GO摻量為0.6%～1.0%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度不再增加, 持不變。當(dāng)GO摻量為0.4%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為54.3和40.2 MPa, 分別比未摻入GO的對(duì)照樣品提高了29.6%和33.6%。圖2為GO摻量對(duì)氧化石墨烯改性PP材料的沖擊強(qiáng)度的影響。

GO摻量從0.1%增加到0.4%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料的沖擊強(qiáng)度增加且增幅較大, 當(dāng)GO摻量為0.4%～0.6%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料的沖擊強(qiáng)度仍然增加但增幅明顯變小, 在GO摻量為0.4%時(shí)沖擊強(qiáng)度達(dá)到了最大值, 為8.3 kJ/m2, 比未摻入GO對(duì)照樣品增加了62.7%, 當(dāng)GO摻量大于0.4%后, 氧化石墨烯改性PP材料的沖擊強(qiáng)度開(kāi)始減小。結(jié)果表明, 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度比起對(duì)照樣品有明顯提高, 其增加幅度與GO摻量有關(guān)系, 當(dāng)GO摻量在0.4%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度增加效果最好。

圖1

圖2

氧化石墨烯改性PP的熱學(xué)性能

氧化石墨烯改性PP材料的熱導(dǎo)率和阻燃性能檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明, 氧化石墨烯改性PP材料的熱導(dǎo)率λ隨著GO摻量增加而增加。這是因?yàn)镚O納米片層具有良好的導(dǎo)熱性能, 在GO摻量為0.4%時(shí)熱導(dǎo)率增加幅度較大, 比對(duì)照樣品增加了205.3%。這是由于GO納米片層在PP樹(shù)脂中均勻分散形成了連續(xù)的體系, 傳熱效果較好。同樣, 氧化石墨烯改性PP材料的阻燃性能隨著GO的摻入有顯著的增加, PP的LOI為18.0, 當(dāng)GO摻量為0.4%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料的LOI為27.6, 屬于難燃物質(zhì)。因此, GO的摻入, 可使氧化石墨烯改性PP材料的熱導(dǎo)率和阻燃性能有明顯的提高, 當(dāng)GO摻量為0.4%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料具有很好的熱傳導(dǎo)和阻燃性能。

圖3

氧化石墨烯改性PP材料的DSC曲線如圖4所示。從圖4可知, 當(dāng)GO摻量為0.1%、0.3%、0.4%和0.8%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料的玻璃化溫度分別為-22.5、-9.3、1.1和6.3℃, 對(duì)應(yīng)氧化石墨烯改性PP材料的熔點(diǎn)分別為163.3、168.5、174.2和179.4℃。與PP樹(shù)脂對(duì)比可知, GO納米片層的摻入顯著提高了PP樹(shù)脂的耐熱性能及對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性。

圖4

結(jié)論

通過(guò)熔融共混制備的氧化石墨烯改性PP復(fù)合材料,?氧化石墨烯改性PP材料具有密實(shí)均勻的微觀結(jié)構(gòu)形貌, 其力學(xué)性能、熱導(dǎo)率和耐熱性能均比PP樹(shù)脂明顯提高。當(dāng)GO摻量為0.4%時(shí), 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別比對(duì)照樣品提高了29.6%、33.6%和62.7%, 熱導(dǎo)率比對(duì)照樣品提高了205.3%, LOI從18.0提高到27.6, 氧化石墨烯改性PP材料具有好的導(dǎo)熱和阻燃性能,?擴(kuò)大了PP樹(shù)脂的應(yīng)用領(lǐng)域。

編輯：黃飛

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