石墨烯是實(shí)現(xiàn)高性能和多功能聚丙烯（PP）復(fù)合材料的潛在候選者。然而，石墨烯的制造工藝復(fù)雜、分散性低，以及石墨烯與聚丙烯鏈之間的界面附著力差，阻礙了石墨烯/聚丙烯復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。在這里，我們開(kāi)發(fā)了一種馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯（MAPP）膠乳輔助石墨烯剝離和熔融共混的策略，以解決工業(yè)生產(chǎn)中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。石墨前體的表面性質(zhì)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)約100%的高石墨烯剝離率，并在獲得的輕度氧化石墨烯（MOG）片和MAPP鏈之間誘導(dǎo)大量氫鍵。因此，MAPP改性的MOG可以均勻地分散在PP基體中，并與聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的界面相容性。添加5wt%的MOG可使初始分解溫度、結(jié)晶溫度、拉伸強(qiáng)度和楊氏模量同時(shí)提高43.2、11.4°C、21.5和50.7%，電導(dǎo)率提高到0.02 s·m
–1。這項(xiàng)工作說(shuō)明了通過(guò)石墨烯的同步剝離和界面改性，低成本、環(huán)保且可行的石墨烯/PP復(fù)合材料工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用解決方案。
圖1.MAPP/MOG分散體和PP-M/MOG納米復(fù)合材料的制備。（a） MOG的剝離和通過(guò)熔融共混形成PP-M/MOG納米復(fù)合材料的示意圖。（b）MAPP膠乳（左）和MAPP/MOG分散體（右），（c）MAPP/MOG母料，和（d）模壓PP-M/MOG納米復(fù)合材料的光學(xué)圖像。
圖2:剝離MOG片材的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。（a） 剝離的MOG片材的TEM圖像。（b） HRTEM圖像顯示了剝離的MOG片材的兩層結(jié)構(gòu)的邊緣。（c） （b）中對(duì)應(yīng)的SAED圖像。（d） 分散良好的剝離MOG片材的TEM圖像。（e） 根據(jù)200張計(jì)算的MOG片材的橫向尺寸分布。（f） 幾層MOG片的AFM圖像。
圖3.CEG的界面工程以及MOG和MAPP之間的非共價(jià)相互作用。（a） CEG和MOCEG的XRD圖譜和（b）TGA曲線(xiàn)。（c） MOCEG的XPS C1s峰和組分?jǐn)M合。（d） 拉曼光譜和（e）GNS和MOG的G帶的相應(yīng)放大圖。（f） MAPP膠乳（黑色）、MAPP/GNS分散體（綠色）和MAPP/MOG分散體在離心前（紅色）和離心后（藍(lán)色）的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。（g） MAPP分子在GNS和MOG片上的吸附能。MAPP與（h）GNS和（i）MOG的RDG散點(diǎn)圖，橙色矩形顯示MOG和MAPP之間的強(qiáng)氫鍵相互作用。
圖4.PP-M/MOG納米復(fù)合材料的微觀形態(tài)。（a–h）具有（a，e）0.5、（b，f）1、（c，g）3和（d，h）5wt%的各種MOG負(fù)載量的PP-M/MOG納米復(fù)合材料的冷凍斷裂表面的FESEM圖像。（i） 1D SAXS曲線(xiàn)。（j） 洛倫茲校正SAXS曲線(xiàn)。（k） 長(zhǎng)期厚度。（l） 不同MOG含量的PP-M/MOG納米復(fù)合材料的2D SAXS圖譜。
圖5.PP-M/MOG納米復(fù)合材料的流變性能。（a） 儲(chǔ)能模量（G′）。（b） 損耗模量（G〃）。（c） G′和G〃沿Y軸分別乘以10n。（d） 具有不同MOG含量的PP-M/MOG納米復(fù)合材料在180°C下的復(fù)粘度（η*）與角頻率（ω）。
圖6. PP-M/MOG納米復(fù)合材料的熱降解和結(jié)晶性能。（a） TG曲線(xiàn)。（b） 不同MOG含量的PP-M/MOG納米復(fù)合材料的Tonset、T–50和Tmax直方圖。（c） 所制備的PP-M/MOG-5與填充有不同納米填料的PP納米復(fù)合材料的ΔTonset的比較。（d） 結(jié)晶曲線(xiàn)。（e） 熔化曲線(xiàn)。（f） 不同MOG含量的PP-M/MOG納米復(fù)合材料的熔融焓和結(jié)晶度。
圖7.PP-M/GNS和PP-M/MOG納米復(fù)合材料的力學(xué)性能。（a）PP-M/GNS和（b）PP-M/MOG納米復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。（c）不同填料含量的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量。（d–k）具有（f，g）0.5、（h，i）1和（j，k）5wt%MOG負(fù)載量的（d，e）PP-M基體和PP-M/MOG納米復(fù)合材料的拉伸斷裂表面的FESEM圖像。
圖8.PP-M基體和PP-M/MOG納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率。
相關(guān)研究成果由復(fù)旦大學(xué)Yizhen Shao和Hongbin Lu等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.3c06185)上。原文：Straightforward Strategy Toward In Situ Water-Phase Exfoliation and Improved Interfacial Adhesion to Fabricate High-Performance Polypropylene/Graphene Nanocomposites。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
