陈翔峰，陈国华，吴大军，吴翠玲，徐金瑞
(华侨大学材料科学与工程学院，福建泉州362011)
The preparation of AS/graphite nanosheets conducting nanocomposites
CHEN Xiang-feng, CHEN Guo-hua, WU Da-jun, WU Cui-lin, XU Jin-rui
(College of Materials Science and Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362011, China)

Abstract：In the paper, graphite nanosheets (FG) were prepared by treating the expanded graphite with sonication in aqueous alcohol solution. Nanocomposite of AS and the modified graphite nanosheets were prepared via single-screw extruder. The measured percolation threshold of AS/FG nanocomposite at room temperature was 9~10wt%.
Key words：foliated graphite；nanocomposite；conducting polymer
摘要： 通过把膨胀石墨进行超声处理制备了石墨纳米薄片（FG）。并对挤出成型制备AS/石墨纳米薄片导电复合体系的工艺过程进行了研究，测试了纳米复合材料的渗滤阈值，其渗滤阈值为9~10%（质量分数）。
关键词：石墨纳米薄片；纳米复合；导电高分子
中图分类号：TB33 文献标识码：A
文章编号：1001-9731（2004）增刊-1007-02

1 引言
         以前，在实际生产中，制备导电复合高分子材料的方法主要是模压法。用此法制备的导电复合高分子材料，填料容易在基体中形成导电网络，因此所制备复合材料的导电效果较好。但这种方法生产效率低，不能连续生产。而在聚合物加工领域，采用挤出机进行机械共混是一种简单而经济的方法。其设备简单，制造技术成熟，投资少，易操作，具有其它共混方法如双辊混炼法、模压法所不能替代的优越性。所以我们尝试通过超声分散工艺制备的纳米石墨薄片与高分子材料复合挤出，成功制备了聚合物/石墨纳米薄片导电复合材料。
         本文采用单螺杆挤出机挤出制备了AS/FG导电纳米复合材料，并对其分散性与导电性进行研究。
2 实验
2.1 纳米石墨薄片的制备[1~3]
         制备好的膨胀石墨浸入适量的70%酒精水溶液中，然后通过水浴超声8~12h。把超声分散后的石墨纳米薄片抽滤、干燥备用。
2.2 样品的制备
         把AS和一定量制备好的石墨纳米薄片混合，制备改性纳米石墨，并把改性纳米石墨切成细粒，与一定比例的AS混合后，直接放入单螺杆挤出机中挤出，挤出物室温冷却。
2.3 样品的测试
         我们从挤出样品的不同部位各取下几段（每段约25mm）进行电阻测试。对于电阻大于2×102MΩ的样品，采用ZC-36高阻仪测试；而对于电阻小于2×102MΩ的样品，则采用万用表测试。（测试装置如图1所示）

3 结果与讨论
3.1 石墨纳米薄片的结构
         图2所示的是超声后石墨纳米薄片的扫描电镜图。

         从图中我们可以看到，膨胀石墨被完全超声分散，形成厚度为30~80nm，直径为0.5~20µm的石墨纳米薄片。这样制备的石墨纳米薄片具有约100~500的高径厚比。另外，通过透射电镜，我们还发现在纳米石墨薄片内也存在一些厚度约为2~5nm的更薄的石墨纳米薄片[3]。
3.2 材料导电性测试
       由纳米石墨薄片与AS混合挤出的样品，所测得的体积电阻率如图3所示。

         从图中可看出，纳米石墨薄片的含量对纳米复合材料的导电性有着很大的影响。当FG含量小于9%时，纳米复合材料的体积电阻率随着FG含量的增加而较为缓慢地下降。而当FG含量为9%~10%时，纳米复合材料的体积电阻率迅速降低。这可以用隧道效应[4]来解释，在此区域内，纳米石墨薄片间逐渐形成相互接触，有些电子流动受势垒所制约。但由于石墨片间距离比较近，一部分电子具有足够能量能够越过势垒而与另一石墨片上的电子相接触，从而产生了隧道导电效应。另外我们也可以看出，高的纳米石墨薄片径厚比对材料体积电阻率的影响，它可以使石墨片间的相互接触几率大大增加，更容易形成导电网络。在石墨纳米薄片含量较低时，薄片间的距离较远，不能形成导电网络；而在此区域内，高径厚比的石墨薄片开始相互接触，逐步形成导电网络，所以材料的体积电阻率急剧下降。当FG含量大于10%时，由于纳米石墨薄片间逐渐形成完善的导电网络，故纳米复合材料的电阻随FG的增加而缓慢降低。从而可以看出，挤出制备的AS/FG纳米复合材料的渗滤阈值在10%左右。
          综上，我们可以看出，由挤出法制备的AS/FG纳米导电复合材料具有效率高，操作简便，渗滤阈值较低等特点。
          另外，还有其它因素也会影响材料的导电性能，如石墨纳米薄片的改性技术、加工温度、加工粘度[5,6]、挤出时螺杆的转速[7]等。

参考文献：
[1] Chen G H, Wu D J, Weng W G, et al. Exfoliation of graphite flake and its nanocomposites. [J]. Carbon, 2003, 41:619-621.
[2] Chen G H, Wu C L, Weng W G, et al. Preparation of polystyrene/graphite nanosheet composite. [J]. Polymer, 2003,44:1781-1784.
[3] Chen G H, Weng W G, Wu D J, et al. PMMA/graphite nanosheets composite and its conducting properties. [J]. Eur Polym J. 2003, 39:2329-2335.
[4] Medalia A I. Electrical conduction in carbon black composites. [J]. Rubber Chem. Tech, 1986, 59:432-454.
[5] Pabedinskas A, Cluett W R. Controller design and performance analysis for a reactive extrusion process. [J]. Polym Engi and Sci, 1994,34:585.
[6] Nield S A, Mudman H M, Tzoganakis C. Control of a LDPE reactive extrusion process. [J]. Control Engineering Practice, 2000, 8:911-920.
[7] Chen Z L, Chao P Y, Chiu S H. Proposal of an empirical viscosity model for quality control in the polymer extrusion process.[J]. Polym Testing, 2003, 22:601-607.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（20174012）
作者简介：陈翔峰（1978－），男，福建人，泉州国立华侨大学硕士研究生。

论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日