机械化学改性石墨烯纳米片增强聚碳酸酯复合材料的高性能研究

为解决石墨烯纳米片(GNPs)在聚合物基体中分散性差和界面结合弱的问题，研究人员通过机械化学方法对GNPs进行表面改性，采用长链表面活性剂Jeffamine M2070制备了改性GNPs(MmGNPs)，并通过熔融共混法制备了聚碳酸酯(PC)复合材料。研究结果表明，MmGNPs在PC基体中表现出最佳的分散性和界面相容性，显著提升了复合材料的力学性能（拉伸强度提高16.9%，杨氏模量提高36.4%）和热导率（提升50%）。该研究为开发高性能石墨烯基聚合物复合材料提供了一种环保、可规模化制备的新方法。

　　

石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能，在聚合物纳米复合材料领域展现出巨大潜力。然而，石墨烯纳米片(GNPs)在聚合物基体中的均匀分散和强界面结合始终是制约其应用的瓶颈问题。传统的溶剂改性方法不仅工艺复杂，还涉及有害化学品的使用，难以满足工业化生产的需求。针对这一挑战，研究人员开发了一种机械化学改性方法，通过球磨工艺将长链表面活性剂Jeffamine M2070接枝到GNPs表面，制备了改性GNPs(MmGNPs)，并与聚碳酸酯(PC)熔融共混，获得了高性能复合材料。

研究团队采用行星式球磨机对GNPs进行机械化学处理，通过热重分析(TGA)、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等手段证实了M2070的成功接枝。原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)观察显示，MmGNPs厚度仅为1.35±0.09 nm，且表面缺陷较少。通过双螺杆挤出机制备了PC/GNPs、PC/球磨GNPs(BMGNPs)和PC/MmGNPs三种复合材料，并系统研究了它们的形态、力学性能和热导率。

在"表面改性石墨烯纳米片"部分，研究证实机械化学处理成功将M2070接枝到GNPs表面，接枝率约为11.5 wt%。XPS分析显示MmGNPs的C:O比为70:30，介于GNPs(78:22)和BMGNPs(59:41)之间。XRD图谱显示MmGNPs在25.36°出现新的衍射峰，对应层间距扩大至3.51 ?，表明M2070分子插入了GNPs层间。

在"聚碳酸酯/石墨烯纳米片复合材料"部分，SEM和TEM观察显示PC/GNPs中存在明显团聚，而PC/MmGNPs中填料分散均匀。力学性能测试表明，PC/MmGNPs在5 wt%填料含量时拉伸强度提高16.9%，10 wt%时杨氏模量提高38.2%。热导率测试显示PC/MmGNPs的贯穿面热导率达到0.32 W m^-1 K^-1，比纯PC提高50%。相比之下，PC/BMGNPs由于球磨过程中产生的缺陷，热导率提升不明显。

该研究创新性地采用机械化学方法实现了GNPs的表面改性，解决了石墨烯在聚合物基体中分散性差的关键问题。所开发的PC/MmGNPs复合材料在保持石墨烯本征性能的同时，显著提升了力学性能和热导率，且制备过程环保、可规模化，为高性能聚合物复合材料的工业化生产提供了新思路。研究结果突显了机械化学处理技术在改善石墨烯剥离和分散方面的重要性，对推动热塑性复合材料的发展具有重要意义。