石墨烯是實現高性能和多功能聚丙烯（PP）復合材料的潛在候選者。然而，石墨烯的制造工藝復雜、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/聚丙烯復合材料的大規模生產和應用。在這里，我們開發了一種馬來酸酐接枝聚丙烯（MAPP）膠乳輔助石墨烯剝離和熔融共混的策略，以解決工業生產中面臨的關鍵挑戰。石墨前體的表面性質經過精心設計，可實現約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，并與聚合物表現出優異的界面相容性。添加5wt%的MOG可使初始分解溫度、結晶溫度、拉伸強度和楊氏模量同時提高43.2、11.4°C、21.5和50.7%，電導率提高到0.02 s·m
–1。這項工作說明了通過石墨烯的同步剝離和界面改性，低成本、環保且可行的石墨烯/PP復合材料工業生產的實用解決方案。
圖1.MAPP/MOG分散體和PP-M/MOG納米復合材料的制備。（a） MOG的剝離和通過熔融共混形成PP-M/MOG納米復合材料的示意圖。（b）MAPP膠乳（左）和MAPP/MOG分散體（右），（c）MAPP/MOG母料，和（d）模壓PP-M/MOG納米復合材料的光學圖像。
圖2:剝離MOG片材的形態和結構。（a） 剝離的MOG片材的TEM圖像。（b） HRTEM圖像顯示了剝離的MOG片材的兩層結構的邊緣。（c） （b）中對應的SAED圖像。（d） 分散良好的剝離MOG片材的TEM圖像。（e） 根據200張計算的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之間的非共價相互作用。（a） CEG和MOCEG的XRD圖譜和（b）TGA曲線。（c） MOCEG的XPS C1s峰和組分擬合。（d） 拉曼光譜和（e）GNS和MOG的G帶的相應放大圖。（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（藍色）的紫外-可見吸收光譜。（g） MAPP分子在GNS和MOG片上的吸附能。MAPP與（h）GNS和（i）MOG的RDG散點圖，橙色矩形顯示MOG和MAPP之間的強氫鍵相互作用。
圖4.PP-M/MOG納米復合材料的微觀形態。（a–h）具有（a，e）0.5、（b，f）1、（c，g）3和（d，h）5wt%的各種MOG負載量的PP-M/MOG納米復合材料的冷凍斷裂表面的FESEM圖像。（i） 1D SAXS曲線。（j） 洛倫茲校正SAXS曲線。（k） 長期厚度。（l） 不同MOG含量的PP-M/MOG納米復合材料的2D SAXS圖譜。
圖5.PP-M/MOG納米復合材料的流變性能。（a） 儲能模量（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納米復合材料在180°C下的復粘度（η*）與角頻率（ω）。
圖6. PP-M/MOG納米復合材料的熱降解和結晶性能。（a） TG曲線。（b） 不同MOG含量的PP-M/MOG納米復合材料的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納米復合材料的ΔTonset的比較。（d） 結晶曲線。（e） 熔化曲線。（f） 不同MOG含量的PP-M/MOG納米復合材料的熔融焓和結晶度。
圖7.PP-M/GNS和PP-M/MOG納米復合材料的力學性能。（a）PP-M/GNS和（b）PP-M/MOG納米復合材料的拉伸應力-應變曲線。（c）不同填料含量的復合材料的拉伸強度和楊氏模量。（d–k）具有（f，g）0.5、（h，i）1和（j，k）5wt%MOG負載量的（d，e）PP-M基體和PP-M/MOG納米復合材料的拉伸斷裂表面的FESEM圖像。
圖8.PP-M基體和PP-M/MOG納米復合材料的電導率。
相關研究成果由復旦大學Yizhen Shao和Hongbin Lu等人2023年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
