石墨烯:高分子材料应用初露锋芒

  在上周于青岛即墨召开的由中国合成树脂供销协会主办的2019即墨石墨烯产业发展论坛上,与会专家表示,现阶段石墨烯在高分子材料中的应用已初露锋芒。随着高分子材料市场的需求变化,石墨烯未来将有更大的应用潜力。

  应用范围广泛

  石墨烯很大程度上可起到工业味精的作用。“石墨烯微片在复合材料中应用具有低渗滤、耐磨、润滑、光泽、高强度等优势。”华侨大学材料科学与工程学院教授陈国华表示,在工程塑料增强方面,石墨烯可以部分替代炭黑、二硫化钼、碳纤维、碳纳米管、氧化铝等;在耐热性增强方面,石墨烯加入到聚氨酯、尼龙、聚苯硫醚、聚甲醛、聚丙烯、聚乙烯等材料中可改善其耐热性。此外,石墨烯的加入还可提升工程塑料的导热、耐候、阻隔、导电等性能。

  常州第六元素材料科技股份有限公司贾云龙也表示,目前在非树脂材料领域,石墨烯主要应用于金属基复合材料、储能、导热膜、传感器等;在树脂领域,石墨烯应用于功能涂料、橡胶、塑料管材等。

  改性效果显著

  使用石墨烯生产聚脲涂料的威海云山科技有限公司技术总监程瑾宁介绍,石墨烯和石墨烯微片结构能够在涂层中形成层叠的屏蔽层,有效阻挡腐蚀介质渗透,大幅提高涂层防腐蚀能力。

  “与纯的环氧树脂相比较,添加了适量石墨烯的环氧树脂复合材料表现出较强的力学性能及较低的磨损率。”天津工业大学材料科学与工程学院教授耿宏章介绍说。

  在导热领域,石墨烯作为填充剂具有明显优势。北京市化学工业研究院有限责任公司副总经理、高级工程师贾义军介绍说:“目前市面常见的以无机填料作为填充材料会导致材料导热性缺陷,即添加大量普通填料实现导热性后,材料的机械性能会大幅下降。而石墨烯采用填充、增强、阻燃等复合改性技术和工艺手段实现高导热性能的同时,材料的机械性能不降低或不会大幅降低。”

  市场潜力巨大

  电子元器件的发展给化工材料提出了新要求。贾义军表示,近些年,随着电子机械高性能化、机械复合化,元器件向小型化和便携式方向发展,产生了电子部件高放热量的问题。以树脂为原材料的改性塑料注塑成型件已经不能满足这种散热要求,开发新型导热复合材料成为当前研究的热点。石墨烯本身具有导热性高、比重轻等特点,作为填充型高导热塑料的填充材料有很大应用潜力。

  市场调研显示,随着LED灯、轻型散热器、电动汽车、医疗设备和轻型汽车对塑料的需求增加,2021年导热塑料市场预计将达到2.551亿美元,前景可观。

  “但其中仍有一些技术需要突破。”贾义军指出,批量低成本制备高品质石墨烯材料,以及对石墨烯进行可控功能化处理以提高其在聚合物中的分散性仍具有挑战。同时复合材料中石墨烯与聚合物之间相互作用机理也需要进行探讨,并使之系统化、理论化,以减少相关研究工作的盲目性。此外,他还建议还要进一步考察石墨烯填充高导热塑料导热性能的影响因素,继续深化材料导热性能的研究。

  贾云龙表示,石墨烯在纤维增强热固性复合材料和热塑性材料中也有很大的应用潜力。一是用于回收塑料的生产制造,引入石墨烯可以提高回收塑料机械性能,还可增加回收次数;二是用于航空航天领域碳纤维复合材料的薄层预浸料制造;三是用于高性能轴承衬垫的制造,引入石墨烯有望获得衬垫耐磨性、导热性和机械性能的提升。


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