Herstellungsverfahren von Graphen-Kunststoff

Die Leistung von Graphen-Kunststoff (graphenmodifizierter Kunststoff-Verbundwerkstoff) ist untrennbar mit den Verarbeitungsbedingungen während seiner Herstellung verbunden. Unterschiedliche Herstellungsverfahren führen zu Unterschieden in Dispersion, Grenzflächeneffekt und räumlicher Struktur von Graphen in der Matrix, und diese Faktoren bestimmen die Steifigkeit, Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität des Verbundmaterials.

Was die aktuelle Forschung betrifft, kann bei Graphenkunststoffen der Grad der Dispergierung von Graphen und der Exfoliationsgrad von Graphenschichten durch die Kontrolle der Scherkraft, der Temperatur und des polaren Lösungsmittels gesteuert werden.

Die physikalischen Herstellungsverfahren von Graphen-Kunststoffen umfassen Lösungsmischen und Schmelzmischen. In Bezug auf chemische Verfahren sind die in-situ-Polymerisation, das Emulsionsmischen und die Schicht-für-Schicht-Selbstorganisationstechnologie (LbL) weit verbreitet.

Lösungsmischmethode

Das Lösungsmischverfahren besteht darin, Graphenmaterialien (GO, RGO) in einem Lösungsmittel aufzulösen, um ein suspendiertes einschichtiges Graphen herzustellen, das weitestgehend in der Polymermatrix dispergiert ist. Beispielsweise wird das modifizierte Graphenoxid GO in einem organischen Lösungsmittel dispergiert, reduziert, um Graphen RGO zu erhalten, und dann mit dem Polymer lösungsgemischt, um ein Verbundmaterial zu bilden. Das Lösungsmischverfahren kann das Graphen besser in der Polymermatrix dispergieren. Dieses Verfahren wurde wegen seines guten Dispergiereffekts, seiner schnellen Herstellungsgeschwindigkeit und seiner guten Kontrolle des Zustands jeder Komponente weit verbreitet verwendet; dieses Verfahren erfordert jedoch die Verwendung organischer Lösungsmittel, die nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Schmelzmischmethode

Das Schmelzmischverfahren ist ein lösungsmittelfreies Herstellungsverfahren, das die vom Extruder erzeugte Scherkraft nutzt, um die Grenzflächenkraft zu überwinden, um den Füllstoff in der Polymerschmelze zu dispergieren. Beim Schmelzmischen werden Graphen und Polymer getrennt hergestellt, so dass die Größe und Morphologie von Graphen kontrollierbar sind, aber Graphen aggregiert in der Polymermatrix und ist nicht leicht zu dispergieren, und der Grenzflächeneffekt mit dem Polymer ist schlecht. Das Schmelzmischverfahren ist ein relativ praktisches Verfahren zur Herstellung von Graphen-Kunststoffen. Das Verfahren ist relativ einfach, und eine großtechnische und kostengünstige Herstellung kann erreicht werden. Höhere Temperatur und Partialdruck beeinträchtigen jedoch die Stabilität der Komponenten des Verbundmaterials.

In-situ-Polymerisation

Das "in-situ-Polymerisationsverfahren" besteht darin, Graphen mit Polymermonomeren zu mischen und dann einen Katalysator zuzugeben, um die Reaktion zu initiieren, um ein Verbundmaterial zu erhalten. Durch Tests wurde festgestellt, dass diese Methode die thermische Stabilität des Kompositmaterials nicht zerstört, jedoch die Reaktionsbedingungen der In-situ-Polymerisationsmethode schwer zu bestimmen sind und die Zugabe von thermischen Additiven einen ungewissen Einfluss auf das Polymer hat .

Emulsionsmischmethode

Das Emulsionsmischverfahren nutzt die gute Dispergierbarkeit des oberflächenmodifizierten Graphens in Wasser. Die Dispersion wird mit der Polymeremulsion vermischt und anschließend der Graphen/Polymer-Verbund durch Reduktion hergestellt. Verglichen mit dem Schmelzmischverfahren weist das nach dem Emulsionsmischverfahren hergestellte Verbundmaterial eine bessere Dispersionswirkung und Dimensionsstabilität auf, und das Verfahren verwendet keine organischen Lösungsmittel und schädigt die Umwelt nicht.

Layer-by-Layer-Self-Assembly-Technologie (LbL)

Die Layer-by-Layer-Self-Assembly-Technologie (LbL) hat Vorteile bei der Herstellung hochfester ultradünner Folien, Zellmembranen und hochfester Beschichtungen. Diese Technologie kann die Graphen/Polymer-Grenzfläche optimal einstellen, sodass das Graphen gut dispergiert wird.

Industrialisierungsrichtung von Graphen-Kunststoffen

Für die Industrialisierung und Forschungsrichtung von Graphenkunststoffen gibt es hauptsächlich fünf Aspekte von leitfähigen/antistatischen Funktionskunststoffen, wärmeleitenden Funktionskunststoffen, hochfesten Kunststoffen, hochgasbarrierefähigen Kunststoffen und ionenselektiven Transmissions-Kunststofffolien.

Leitfähiger/antistatischer Funktionskunststoff

Kunststoff selbst ist ein Isoliermaterial mit hohem Oberflächenwiderstand, was seine großflächige Anwendung in antistatischen, leitfähigen und anderen Bereichen einschränkt. Graphen hat eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und hat eine relativ große Länge und einen relativ großen Durchmesser. Es kann in eine Kunststoffmatrix eingefüllt werden, um einen Kunststoff mit hoher Leitfähigkeit und geringer Perkolationskonzentration zu erhalten.

Wärmeleitfähiger Kunststoff

Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff ist sehr gering, was seine breite Anwendung im Bereich der Wärmeleitung einschränkt. Die Grenzflächenkopplung zwischen Graphen und Kunststoff und die Wärmeleitfähigkeit von Graphen selbst bestimmen die Wärmeleitfähigkeit von Graphen-modifizierten Kunststoffen.

Nachdem dem Kunststoff Graphen hinzugefügt wurde, kann die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs von 0.1—0.5 W/(m·K) auf 5—10 W/(m·K) erhöht werden, was um mehr als das Zehnfache erhöht wird, so dass Der Kunststoff kann auf Kühlkörpern von LED-Lampen, Kühlkörpern für Kraftfahrzeuge, elektronischen und elektrischen Kühlkörpern und anderen Bereichen angewendet werden, einige gängige Wärmeableitungsmaterialien wie Metallaluminium ersetzen, das Leichtgewicht von Geräten fördern und den Anwendungsbereich von Kunststoffen erweitern.

Hochfester Kunststoff

Die mechanische Festigkeit von Graphen ist 100-mal höher als die von Stahl, was die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen erheblich verbessern kann. Gewöhnlicher EPS-Schaumstoff hat eine geringe mechanische Festigkeit, was einige seiner Anwendungsbereiche einschränkt.

Graphen wird als Additiv zu EPS hinzugefügt und seine mechanische Festigkeit wird um mehr als das Doppelte erhöht. Derzeit wird Graphen im Bereich geschäumter Kunststoffe eingesetzt und wird in Verpackungen, Militär und anderen Bereichen verwendet. Es nutzt auch die hochfesten Eigenschaften von Graphen, um einen neuen Typ von Graphen-Auto zu entwickeln, bei dem Graphen-Verbundkunststoff als Skelett und Strukturteile des Autos verwendet wird, was das Gewicht des Autos erheblich reduziert und Energie spart.

Kunststoff mit hoher Gasbarriere

Graphen ist ein zweidimensionales Schichtstrukturmaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche und hervorragenden Barriereeigenschaften gegenüber Gasmolekülen. Nach dem Hinzufügen zu Kunststoffen bietet die gebildete Netzwerkstruktur einen gekrümmten Kanal für die Gasdiffusion und verlängert den Gasdiffusionsweg. Kann die Gasbarriereeigenschaften von Kunststoffen erheblich verbessern. Im Bereich der Kunststoffabdichtung können durch die Zugabe von Graphen Kunststoffdichtringe und -dichtungen entstehen, die einem gewissen Druck standhalten.

Ionenselektive Transmissions-Kunststofffolie

Nach der Oberflächenmodifizierung von Graphen können verschiedene Gruppen hinzugefügt werden, und durch die Auswahl und Anordnung bestimmter Gruppen können intelligente Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Membran, die Wasser, aber kein Öl durchdringen kann, eine Öl-Wasser-Trennung realisieren und in der Ölverschmutzungsbehandlung und auf anderen Gebieten verwendet werden. Membranen, die Wasser, aber keine Metallionen durchdringen können, werden in der industriellen Abwasserbehandlung, der Meerwasserentsalzung, der salzchemischen Industrie und anderen Bereichen verwendet.

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