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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(qiáng)復(fù)合材料及其格柵化界面增強(qiáng)技術(shù)
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(qiáng)聚合物復(fù)合材料（GnP/PP SrPC），0.019 wt%的GnPs使PP的拉伸強(qiáng)度和模量分別提高152%和186%，使PP SrPC界面力增加280%，數(shù)值模擬揭示了PP纖維格柵化界面增強(qiáng)技術(shù)的GnPs取向機(jī)制。


  自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（SrPC）具有重量輕、易于回收、粘接性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，SrPC力學(xué)性能的提高通常受到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和狹窄的加工溫度窗口的限制。石墨烯和自增強(qiáng)機(jī)制的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)聚合物復(fù)合材料力學(xué)性能顯著改善的潛在方法。有必要研究石墨烯取向調(diào)整的自增強(qiáng)機(jī)制，以減少石墨烯的數(shù)量，提高機(jī)械性能。


  本研究開發(fā)了通過薄膜堆疊將聚丙烯（PP）纖維和石墨烯納米片（GnPs）/PP復(fù)合薄膜結(jié)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(fù)合膜結(jié)合，進(jìn)行薄膜堆疊以生產(chǎn)具有增強(qiáng)機(jī)械性能的GnP/PP-SrPC。通過薄膜堆疊，GnPs的高力學(xué)性能以及GnPs-PP之間的強(qiáng)界面相互作用得到了很好的表現(xiàn)。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(xù)PP纖維形成通道摻入少量GnP不會(huì)過多地增加成本，但可以提高基質(zhì)和纖維之間的界面粘附力。與不含GnPs的PP SrPC相比，在GnPs含量?jī)H為0.019wt%的極低條件下，界面力提高了280%。與純PP相比，拉伸強(qiáng)度和模量分別提高了152%和186%。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了GnPs對(duì)PP-SrPC的形態(tài)、熱、力學(xué)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(chǔ)存，但由于GnPs含量非常低，對(duì)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(qiáng)度、模量和界面粘附力先增加后降低。高GnPs含量容易引起團(tuán)聚，并且在連續(xù)纖維之間形成的通道更容易引起GnPs團(tuán)聚。應(yīng)合理確定GnPs含量，以防止結(jié)塊導(dǎo)致機(jī)械性能下降。 



  模擬結(jié)果主要解釋了壓實(shí)過程中的溫度變化。另外，成功地進(jìn)行了數(shù)值模擬，以評(píng)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(jié)構(gòu)中的取向機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，GnPs的取向受到流場(chǎng)的影響，當(dāng)填充纖維之間的間隙時(shí)，GnPs可以增強(qiáng)，這證明了GnPs在單向纖維區(qū)域上通過流場(chǎng)高度定向。此外，自增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以在GnPs取向的方向上被GnPs增強(qiáng)。模擬結(jié)果很好地說明了制備的PP-SrPC的界面結(jié)合力和力學(xué)性能顯著提高的原因。 



  這種新的技術(shù)方法有可能用于工業(yè)制造具有優(yōu)異機(jī)械性能的經(jīng)濟(jì)型石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料。與碳納米管等納米增強(qiáng)材料相比，石墨烯更便宜，而且該技術(shù)需要的石墨烯含量很少。隨著航空航天、交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)休閑等多個(gè)領(lǐng)域制品對(duì)輕量化的迫切需求，該成果都有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。未來的工作將集中在通過預(yù)張力改善單向連續(xù)纖維的直線排列，石墨烯薄片的質(zhì)量將得到改善，也將進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)準(zhǔn)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(lǐng)域權(quán)威期刊Carbon（189 (2022) 586-595）上發(fā)表，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利202311098146X。該論文第一作者和通訊作者為北京化工大學(xué)王建教授。


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

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