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聚偏氟乙烯(PVDF)是一種具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和突出介電性能的高分子聚合物材料，在機械、化工、電子、紡織、生物化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如制作介電材料、各種電池隔膜、光伏電池保護膜等。隨著PVDF制品的應(yīng)用增多，其使用過程的廢棄物、加工剩余的邊角廢料等給環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。PVDF含有氟元素，一般的填埋、燃燒會對環(huán)境造成二次污染，因此，研究PVDF的廢料再生利用，對于可持續(xù)發(fā)展的國家戰(zhàn)略十分重要。

石墨烯是一種層狀結(jié)構(gòu)的納米材料，在提高聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、電學(xué)、阻燃和熱學(xué)性能等方面具有明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，對其研究成為了新材料領(lǐng)域的前沿課題之一。

徐百平教授發(fā)明的新型非對稱同向雙螺桿擠出機技術(shù)是將非對稱效應(yīng)引入到聚合物共混擠出加工過程中，使熔融物料在非對稱螺桿中不斷地擠壓和拉伸，增強對共混體系的分散和均化作用，從而實現(xiàn)物料的高效混合，使得所加工共混材料的分散相顆粒粒徑更小，分布更均勻。廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院譚壽再等以回收工業(yè)生產(chǎn)光伏電池背板保護PVDF廢膜為基材，利用新型非對稱同向雙螺桿擠出機，采用熔融共混法制備PVDF／石墨烯復(fù)合材料，并進一步研究石墨烯對復(fù)合材料性能的影響。

石墨烯改性PVDF材料配方

石墨烯對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強度和斷裂伸長率均表現(xiàn)出先提高后降低的趨勢。當(dāng)石墨烯添加量為3%時，拉伸強度有最大值30.2?MPa，比未添加石墨烯時拉伸強度提高了22.6%，斷裂伸長率則提高了80%。

當(dāng)石墨烯加入5%時，試樣的沖擊強度為13.9?kJ／m2，比純PVDF增加了8.6%。這是因為石墨具有較高的強度，在外力作用下，石墨烯的變形遠小于PVDF基體，在復(fù)合材料內(nèi)部形成應(yīng)力集中點。

石墨烯對復(fù)合材料熱學(xué)性能的影響

由表2可見，復(fù)合材料試樣的結(jié)晶峰溫度比PVDF提高1～3℃，結(jié)晶度略有提高。這是因為石墨烯在基體中起到異相成核劑的作用。

石墨烯對復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響

由上圖可知，隨著石墨烯含量的增加，試樣的體積電阻率和表面電阻率都降低，電導(dǎo)率升高。添加5%石墨烯，復(fù)合材料試樣的導(dǎo)電性能最好，電導(dǎo)率由不加石墨烯時的2.34×10–14?S／m提高到1.68×10–9?S／m，體積電阻率為8.98×108?Ω·m，表面電阻率為1.18×1012?Ω。

石墨烯改性PVDF復(fù)合材料的SEM照片

石墨烯含量：a—1%；b—2%；c—3%；d—4%；e—5%

石墨烯與PVDF基體樹脂界面模糊，石墨烯與基體形成了良好的界面作用，未見明顯的團聚現(xiàn)象。可見采用新型同向非對稱雙螺桿擠出機對于多組分聚合物混合分散有比較好的效果。

圖(e)中石墨烯含量為5%時，斷面出現(xiàn)石墨烯被拔出的凹坑，這是石墨烯添加量大造成少量團聚的原因，故其拉伸強度呈現(xiàn)降低趨勢，但石墨烯脫離基體需要消耗更多的沖擊能量，其宏觀表現(xiàn)為沖擊強度提高。

結(jié)論

(1)當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%時，采用新型非對稱同向雙螺桿擠出機制備再生PVDF／石墨烯復(fù)合材料，石墨烯在基體中分散均勻。

(2)石墨烯對PVDF基體具有增強增韌的效果。

(3)石墨烯能提高再生PVDF／石墨烯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。

(4)石墨烯能提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，添加5%石墨烯的復(fù)合材料試樣電導(dǎo)率由不加石墨烯時的2.34×10–14?s／m提高到1.68×10–9?s／m，體積電阻率和表面電阻率隨著石墨烯含量增加而降低。