球磨法制备纳米石墨微片及其聚乙烯复合材料的结构与性能

摘要

纳米石墨微片 (GN) 具有高的径厚比，作为导电填料加入到聚合物中可以大大降低复合导电体系的渗滤阈值，在应用中表现出巨大的市场潜力。但是现有的纳米石墨微片的制备方法生产效率较低。本文研究利用易于大量生产的球磨工艺对膨胀石墨进行机械剥离，制备纳米石墨微片，并将所制得的纳米石墨微片添加到高密度聚乙烯 (HDPE)，同时对复合材料的结构和性能进行研究。利用X射线衍射 (XRD)、扫描电镜 (SEM)、X光电子能谱 (XPS)、差示扫描仪 (DSC)等考察了不同制备方法和工艺时间对纳米石墨微片的晶体结构、表面基团、形貌、径厚比等的影响及复合材料的断面形貌、结晶等行为，进一步探索工业化纳米石墨微片的性价比。利用研磨设备可以制备片状结构明显的石墨微片。湿法研磨石墨 (SFGN) 由于间隙碳原子的插入 (002) 面间距增大；干法研磨后石墨 (GFGN)的(002) 面间距基本没有发生变化。在粒径分布上，GFGN粒度较为集中，片层厚度较小。此外，相比GFGN，SFGN具有更大的表面积、更高的径厚比，更多的基团和较少的缺陷。湿法和干法研磨的极限时间分别为6 h和12 h。SFGN和GFGN径厚比都比较大，但是特点各有不同，导致其应用的侧重点有所差异。GFGN对于其纳米复合材料可以起到增强增韧作用。相比纯的HDPE，0.8wt.％ 十二烷基苯磺酸钠(SDBS)改性的GFGN填充HDPE纳米复合材料的断裂伸长率提高约290％，弹性模量提高约14％，冲击强度和拉伸强度也同时略有提高。但是GFGN对于纳米复合材料的导电性能贡献不大。可能通过表面改性剂联结到HDPE分子链上的层状纳米石墨微片间发生的层间滑移是纳米复合材料断裂伸长率的提高的根本原因。
　　 本研究将制备的SFGN与HDPE熔融共混复合，并与导电炭黑(CB)填充HDPE纳米复合材料的综合性能作了比较。HDPE/SFGN纳米复合材料表现出6wt.％的渗滤阀值，比HDPE/CB纳米复合材料的22wt.％要低的多。在导电可用的填料含量范围，HDPE/SFGN表现出比HDPE/CB更好的力学性能和加工性能。此外，随SFGN的含量的增加，HDPE结晶度有所降低，但下降幅度并不是很大。综合考虑复合材料的使用性能及石墨丰富的来源和低廉的价格，在实际应用中利用本方法制备的SFGN在取代CB作为导电填料是未来发展的趋势。