超支化聚乙烯辅助两阶段分散策略实现石墨烯/聚乙烯纳米复合材料导热性能突破

本文针对聚乙烯（PE）导热性能不足的问题，报道了一种利用超支化聚乙烯（HBPE）通过两阶段法（溶液混合-熔融共混）高效分散石墨烯的新策略。研究表明，添加不足1 wt%的石墨烯纳米片（GNPs）即可使PE导热系数提升50%，达0.468 W/m·K，同时保持良好的加工性（熔融指数0.816 g/10 min）和机械性能（模量165.2 MPa）。该工作为高性能热管理材料的规模化制备提供了新思路。

　　

在聚合物加工领域，聚乙烯（PE）作为产量最大的通用塑料之一，其固有的低热导率（约0.3 W/m·K）严重制约了加工效率和应用性能。特别是在电子器件散热、能源管材等需要高效热管理的场景中，提升PE的导热性能已成为行业迫切需求。然而，传统共混方法难以实现石墨烯在PE中的均匀分散，易发生团聚，导致导热增强效果有限，且往往以牺牲加工性和机械性能为代价。

针对这一挑战，来自伊朗Amirkabir理工大学的Mahdi Shafiee等研究者在《Polymer Testing》上发表论文，提出了一种创新的两阶段石墨烯分散策略。该研究巧妙利用超支化聚乙烯（HBPE）独特的分子结构，通过溶液辅助剥离和熔融共混相结合的方式，成功制备出高导热、综合性能优异的石墨烯/低密度聚乙烯（LDPE）纳米复合材料。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先通过超声辅助液相剥离技术在氯仿中制备石墨烯-超支化聚乙烯（G-HBPE）母粒，利用HBPE的立体稳定化和CH-π相互作用阻止石墨烯重新堆叠；随后通过熔融共混将母粒与LDPE复合，并通过热压成型制备测试样品。性能表征方面，采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察分散形态，X射线衍射（XRD）分析石墨烯剥离效果，热导率测试仪测量导热性能，热重分析（TGA）评估热稳定性，差示扫描量热法（DSC）研究结晶行为，并测试了力学性能和熔融流动指数（MFI）。

^3.1. Investigating exfoliated graphene with HBPE

通过FESEM和XRD分析证实了HBPE辅助剥离石墨烯的有效性。FESEM图像显示石墨烯纳米片（GNPs）呈现清晰的层状结构且边缘锐利，与HBPE颗粒形成良好连接。XRD谱图中石墨特征峰（2θ=26.59°）的消失证明石墨成功剥离为石墨烯。研究人员提出了剥离机制：超声作用下石墨烯层从石墨表面分离，HBPE通过CH-π相互作用吸附到石墨烯表面，利用其良好的溶解性和空间位阻效应实现稳定分散。

^3.2. Investigating the effect of graphene on the properties of LDPE

^{Thermal properties:} TGA分析表明纳米复合材料的热稳定性显著提高。随着石墨烯含量增加，最大热分解温度从纯LDPE的450.18°C升至含1.5 wt%石墨烯样品的463.11°C。导热性能测试显示，添加0.5、1和1.5 wt% G-HBPE的复合材料导热系数分别达到0.343、0.368和0.468 W/m·K，较纯LDPE（0.312 W/m·K）分别提高了10%、18%和50%。研究人员采用Maxwell-Garnett有效介质近似（MG-EMA）模型理论分析了界面热阻（R_Bd≈2.5×10^?8 m²?K/W），证明HBPE有效降低了界面热阻。DSC结果显示熔点（T_m）从113.2°C升至118.3°C，表明石墨烯发挥了异相成核作用，促进了晶体生长。

^{Physical and mechanical properties:} 力学性能测试表明，添加1.5 wt%石墨烯的复合材料拉伸模量从95.8 MPa提高至165.2 MPa，增幅达72%。MFI测试显示加工性能保持良好，从0.85 g/10min略微下降至0.816 g/10min。电学性能测试表明体积电阻率降低了近三个数量级，证实形成了导电网络。

该研究通过系统表征证明，基于HBPE的两阶段分散策略成功实现了石墨烯在LDPE中的均匀分散和强界面结合，从而显著提升了复合材料的综合性能。特别值得注意的是，仅添加1.5 wt%石墨烯即实现50%的导热增强效果，远优于文献报道的直接共混方法（通常需要更高填充量才能达到类似效果）。

研究结论强调，这种两阶段方法不仅解决了石墨烯在聚烯烃中分散困难的长期挑战，而且具有很好的规模化应用前景。HBPE与PE分子结构的相似性确保了良好的相容性，而其高度支化的特性又提供了有效的空间稳定作用。该方法在保持PE加工性能的同时，显著提升了其导热、机械和电学性能，为开发新一代高性能热管理材料提供了重要技术路径。

这项工作的意义不仅在于具体性能指标的提升，更在于提出了一种通用的纳米填料分散策略。该策略可扩展到其他聚烯烃体系和纳米填料体系，为高分子复合材料的性能设计提供了新思路。未来研究可进一步优化HBPE的分子结构（分子量分布、支化度等），系统研究工艺参数与性能的构效关系，推动该技术向产业化应用迈进。