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) 是生产及用量最大的热塑性塑料, 其具有电绝缘性、耐化学腐蚀性及耐疲劳性好等优点, 缺点是低温脆性大 (脆性温度-35℃) , 耐老化性、耐热性及阻燃性较差, 并且PP塑料制品易产生静电积累及静电危害。聚丙烯广泛地应用于汽车配件、电子仪器、包装材料、管材管件和日常用品等, 耐热、阻燃、耐老化性能方面的缺陷限制了聚丙烯的应用。目前, 主要通过物理和化学改性的方法提高PP的性能, 通过填充微米及纳米级的黏土和碳纳米管以及共混和化学结构改变等方法可以使PP树脂及其复合材料的力学、耐热、阻燃等性能有一定程度提高, 但是PP树脂在导热、耐热及阻燃性能等方面存在不足, 依然是影响其应用的主要问题, 因此, 对于PP树脂进行改性一直是研究热点。

氧化石墨烯(GO) 的结构与石墨烯类似, 具有蜂窝状的结构形貌, 具有很好的强度和柔韧性, 具有一定的导电、导热性能, 与高分子材料形成复合材料, 具有增强增韧、提高耐热性能及消除静电的作用。因此, GO改性PP树脂具有以下优势:

(1) GO的制备工艺简单, 成本较低；

(2) GO片层的尺寸及所带的羧基、羰基和羟基等化学基团的数量可以通过调整制备过程及条件进行控制;

(3) GO与PP性能互补性强, 通过在PP中掺入少量的GO可以显著提高PP的力学、耐热、阻燃等性能。

氧化石墨烯改性PP的力学性能      

图1图2为氧化石墨烯改性PP材料的力学性能。图1为GO掺量对氧化石墨烯改性PP材料的拉伸强度和弯曲强度的影响。从图1可以看出, 随着GO掺量从0.1%增加到0.4%, 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸强度和弯曲强度依次增加, 而且依次增加的幅度较大;GO掺量在0.4%～0.6%时,氧化石墨烯改性PP材料的拉伸强度和弯曲强度依然依次增加, 但增幅明显减小;GO掺量为0.6%～1.0%时, 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸强度和弯曲强度不再增加, 持不变。当GO掺量为0.4%时, 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸强度和弯曲强度分别为54.3和40.2 MPa, 分别比未掺入GO的对照样品提高了29.6%和33.6%。图2为GO掺量对氧化石墨烯改性PP材料的冲击强度的影响。

GO掺量从0.1%增加到0.4%时, 氧化石墨烯改性PP材料的冲击强度增加且增幅较大, 当GO掺量为0.4%～0.6%时, 氧化石墨烯改性PP材料的冲击强度仍然增加但增幅明显变小, 在GO掺量为0.4%时冲击强度达到了最大值, 为8.3 kJ/m2, 比未掺入GO对照样品增加了62.7%, 当GO掺量大于0.4%后, 氧化石墨烯改性PP材料的冲击强度开始减小。结果表明, 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度比起对照样品有明显提高, 其增加幅度与GO掺量有关系, 当GO掺量在0.4%时, 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度增加效果最好。

图1

图2

氧化石墨烯改性PP的热学性能

氧化石墨烯改性PP材料的热导率和阻燃性能检测结果如图3所示。结果表明, 氧化石墨烯改性PP材料的热导率λ随着GO掺量增加而增加。这是因为GO纳米片层具有良好的导热性能, 在GO掺量为0.4%时热导率增加幅度较大, 比对照样品增加了205.3%。这是由于GO纳米片层在PP树脂中均匀分散形成了连续的体系, 传热效果较好。同样, 氧化石墨烯改性PP材料的阻燃性能随着GO的掺入有显著的增加, PP的LOI为18.0, 当GO掺量为0.4%时, 氧化石墨烯改性PP材料的LOI为27.6, 属于难燃物质。因此, GO的掺入, 可使氧化石墨烯改性PP材料的热导率和阻燃性能有明显的提高, 当GO掺量为0.4%时, 氧化石墨烯改性PP材料具有很好的热传导和阻燃性能。

图3

氧化石墨烯改性PP材料的DSC曲线如图4所示。从图4可知, 当GO掺量为0.1%、0.3%、0.4%和0.8%时, 氧化石墨烯改性PP材料的玻璃化温度分别为-22.5、-9.3、1.1和6.3℃, 对应氧化石墨烯改性PP材料的熔点分别为163.3、168.5、174.2和179.4℃。与PP树脂对比可知, GO纳米片层的掺入显著提高了PP树脂的耐热性能及对环境温度的适应性。

图4

结论

通过熔融共混制备的氧化石墨烯改性PP复合材料, 氧化石墨烯改性PP材料具有密实均匀的微观结构形貌, 其力学性能、热导率和耐热性能均比PP树脂明显提高。当GO掺量为0.4%时, 氧化石墨烯改性PP材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别比对照样品提高了29.6%、33.6%和62.7%, 热导率比对照样品提高了205.3%, LOI从18.0提高到27.6, 氧化石墨烯改性PP材料具有好的导热和阻燃性能, 扩大了PP树脂的应用领域。

编辑：黄飞