石墨烯改性熱固性樹脂的發(fā)展未來在哪里？
石墨烯改性熱固性樹脂概述
石墨烯是由單層碳原子以 sp2 雜化方式連接而成的蜂窩狀二維平面材料，其具備眾多優(yōu)異的特性，例如：高載流子遷移率、高透光性、高比表面積、高楊氏模量、高斷裂強(qiáng)度等。這些特性使石墨烯成為提升熱固性樹脂性能的理想填料。熱固性樹脂材料因具有比強(qiáng)度高、比模量大、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)而受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
石墨烯/熱固性樹脂是以石墨烯粉體作為增強(qiáng)體，熱固性樹脂作為基體構(gòu)成的復(fù)合材料。通過石墨烯粉體的添加，可以明顯的增強(qiáng)熱固性樹脂的力學(xué)、抗燒蝕、電學(xué)、耐腐蝕和耐磨性能。石墨烯粉體的有效分散是提升熱固性樹脂性能的關(guān)鍵所在。利用表面改性和合理的混料方式可以顯著提高石墨烯在樹脂基分散程度。
石墨烯粉體表面改性
石墨烯粉體的表面改性有兩種主要方式：共價鍵改性和非共價鍵改性。
共價鍵改性是一種利用化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)改性劑在石墨烯表面共價鍵結(jié)合，或?qū)κ┻M(jìn)行特殊處理，形成新的官能團(tuán)或化學(xué)鍵，從而提高石墨烯粉體在樹脂基體中的相容性和分散性的方法。
非共價鍵改性主要是通過 π-π 鍵堆積作用將改性基團(tuán)與石墨烯結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對石墨烯的有效改性。這一方法的優(yōu)點(diǎn)在于，不改變石墨烯化學(xué)結(jié)構(gòu)或引入新的共價鍵的前提下，提高石墨烯的分散性。
針對不同種類的熱固性樹脂基體，需選擇合適的改性方式，在不影響樹脂基體性能的前提下，使得石墨烯粉體能夠在樹脂內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻分散。
(a)石墨烯共價鍵修飾原理；(b)重氮鹽法改性石墨烯；(c)開環(huán)反應(yīng)改性石墨烯；
(d)石墨烯非共價鍵修飾原理；(e)π-π 鍵吸附改性 GO；(f)π-π 鍵吸附改性 rGO
石墨烯對樹脂基體復(fù)合材料性能的影響
石墨烯作為一種新型增強(qiáng)體填料，將其均勻分散在熱固性樹脂基體中，可以顯著提升復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐燒蝕性能、電學(xué)性能、耐腐蝕性能以及耐磨性能，從而擴(kuò)寬熱固性樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。
石墨烯能夠顯著改善熱固性樹脂材料的機(jī)械性能，使復(fù)合材料在機(jī)械和汽車結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。
氧化石墨烯的添加會提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性并加速熱量的導(dǎo)出，使復(fù)合材料的線性燒蝕速率降低 62.08%。氧化石墨烯的添加有利于誘導(dǎo)燒蝕過程中基體內(nèi)炭層的形成，增強(qiáng)基體石墨化程度，并形成隔熱層，阻止熱量向材料內(nèi)部擴(kuò)展，從而降低復(fù)合材料的線狀燒蝕速率，提高樹脂復(fù)合材料的抗燒蝕能力。
石墨烯是由sp2雜化的碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳材料，優(yōu)異的結(jié)構(gòu)π電子提供了共軛效應(yīng)，極大的提高了電子的遷移率，同時在理想狀態(tài)下，石墨烯的導(dǎo)帶和價帶在狄拉克點(diǎn)相接觸，使電子能在無能量阻礙下，在價帶和導(dǎo)帶之間移動，從而促使石墨烯有著優(yōu)異的電學(xué)性能。
熱固性樹脂是涂層材料中常見的基體材料，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，但固化后的樹脂材料會產(chǎn)生微孔或微隙，對基底的保護(hù)能力減弱。石墨烯自身的化學(xué)穩(wěn)定性和阻隔性，既能有效阻止腐蝕劑的滲透，又能在腐蝕劑達(dá)到金屬表面時防止其面內(nèi)進(jìn)一步的擴(kuò)散，將保護(hù)基底的腐蝕損壞程度降到最低，使其成為金屬基材涂層的優(yōu)選填料。
目前，石墨烯改性熱固性樹脂主要應(yīng)用于重防腐涂料方面，噴涂在大型設(shè)備（如大型船舶，水面平臺，風(fēng)力發(fā)電機(jī)等）上防止腐蝕延長使用壽命；未來，石墨烯改性熱固性樹脂也將更多的應(yīng)用在航空航天、電子零部件等領(lǐng)域。
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劉經(jīng)理