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北化王建教授課題組 Carbon：基于聚丙烯纖維和石墨烯納米片/聚丙烯薄膜的自增強復合材料及其格柵化界面增強技術

2023-09-06 來源：高分子科技

制備了石墨烯納米片/聚丙烯自增強聚合物復合材料（GnP/PP SrPC），0.019 wt%的GnPs使PP的拉伸強度和模量分別提高152%和186%，使PP SrPC界面力增加280%，數值模擬揭示了PP纖維格柵化界面增強技術的GnPs取向機制。

自增強聚合物復合材料（SrPC）具有重量輕、易于回收、粘接性能好、成本低等優點。然而，SrPC力學性能的提高通常受到復合材料結構和狹窄的加工溫度窗口的限制。石墨烯和自增強機制的結合是實現聚合物復合材料力學性能顯著改善的潛在方法。有必要研究石墨烯取向調整的自增強機制，以減少石墨烯的數量，提高機械性能。

本研究開發了通過薄膜堆疊將聚丙烯（PP）纖維和石墨烯納米片（GnPs）/PP復合薄膜結合在一起的SrPC。通過將單向排列的熔融紡絲純PP纖維與兩層GnP/PP復合膜結合，進行薄膜堆疊以生產具有增強機械性能的GnP/PP-SrPC。通過薄膜堆疊，GnPs的高力學性能以及GnPs-PP之間的強界面相互作用得到了很好的表現。單向排列的PP纖維形成狹窄的格柵化通道，有利于GnP/PP基體浸漬過程中GnPs的有序排列和定向。單向排列的連續PP纖維形成通道摻入少量GnP不會過多地增加成本，但可以提高基質和纖維之間的界面粘附力。與不含GnPs的PP SrPC相比，在GnPs含量僅為0.019wt%的極低條件下，界面力提高了280%。與純PP相比，拉伸強度和模量分別提高了152%和186%。通過實驗和數值模擬分析了GnPs對PP-SrPC的形態、熱、力學和界面性能的影響。少量GnP在PP-SrPC中分散良好，改善了界面性能。GnPs的加入也可以改善傳熱和儲存，但由于GnPs含量非常低，對加工溫度的變化影響不大。隨著GnPs含量的增加，GnPs/PP-SrPC的拉伸強度、模量和界面粘附力先增加后降低。高GnPs含量容易引起團聚，并且在連續纖維之間形成的通道更容易引起GnPs團聚。應合理確定GnPs含量，以防止結塊導致機械性能下降。

模擬結果主要解釋了壓實過程中的溫度變化。另外，成功地進行了數值模擬，以評估薄膜堆疊過程中石墨烯的加工溫度和在PP纖維建立的格柵化結構中的取向機制。研究發現，GnPs的取向受到流場的影響，當填充纖維之間的間隙時，GnPs可以增強，這證明了GnPs在單向纖維區域上通過流場高度定向。此外，自增強復合材料結構可以在GnPs取向的方向上被GnPs增強。模擬結果很好地說明了制備的PP-SrPC的界面結合力和力學性能顯著提高的原因。

這種新的技術方法有可能用于工業制造具有優異機械性能的經濟型石墨烯/聚合物納米復合材料。與碳納米管等納米增強材料相比，石墨烯更便宜，而且該技術需要的石墨烯含量很少。隨著航空航天、交通運輸、運動休閑等多個領域制品對輕量化的迫切需求，該成果都有很大的經濟價值和應用前景。未來的工作將集中在通過預張力改善單向連續纖維的直線排列，石墨烯薄片的質量將得到改善，也將進一步驗證數值模擬的預測準確性。

以上研究成果以《Self-reinforced composites based on polypropylene fiber and graphene nano-platelets/polypropylene film》為題在材料領域權威期刊Carbon（189 (2022) 586-595）上發表，已申請國家發明專利202311098146X。該論文第一作者和通訊作者為北京化工大學王建教授。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.12.098

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（責任編輯：xu）

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