北化王建教授课题组 Carbon：基于聚丙烯纤维和石墨烯纳米片/聚丙烯薄膜的自增强复合材料及其格栅化界面增强技术

2023-09-06 来源：高分子科技

制备了石墨烯纳米片/聚丙烯自增强聚合物复合材料（GnP/PP SrPC），0.019 wt%的GnPs使PP的拉伸强度和模量分别提高152%和186%，使PP SrPC界面力增加280%，数值模拟揭示了PP纤维格栅化界面增强技术的GnPs取向机制。

自增强聚合物复合材料（SrPC）具有重量轻、易于回收、粘接性能好、成本低等优点。然而，SrPC力学性能的提高通常受到复合材料结构和狭窄的加工温度窗口的限制。石墨烯和自增强机制的结合是实现聚合物复合材料力学性能显著改善的潜在方法。有必要研究石墨烯取向调整的自增强机制，以减少石墨烯的数量，提高机械性能。

本研究开发了通过薄膜堆叠将聚丙烯（PP）纤维和石墨烯纳米片（GnPs）/PP复合薄膜结合在一起的SrPC。通过将单向排列的熔融纺丝纯PP纤维与两层GnP/PP复合膜结合，进行薄膜堆叠以生产具有增强机械性能的GnP/PP-SrPC。通过薄膜堆叠，GnPs的高力学性能以及GnPs-PP之间的强界面相互作用得到了很好的表现。单向排列的PP纤维形成狭窄的格栅化通道，有利于GnP/PP基体浸渍过程中GnPs的有序排列和定向。单向排列的连续PP纤维形成通道掺入少量GnP不会过多地增加成本，但可以提高基质和纤维之间的界面粘附力。与不含GnPs的PP SrPC相比，在GnPs含量仅为0.019wt%的极低条件下，界面力提高了280%。与纯PP相比，拉伸强度和模量分别提高了152%和186%。通过实验和数值模拟分析了GnPs对PP-SrPC的形态、热、力学和界面性能的影响。少量GnP在PP-SrPC中分散良好，改善了界面性能。GnPs的加入也可以改善传热和储存，但由于GnPs含量非常低，对加工温度的变化影响不大。随着GnPs含量的增加，GnPs/PP-SrPC的拉伸强度、模量和界面粘附力先增加后降低。高GnPs含量容易引起团聚，并且在连续纤维之间形成的通道更容易引起GnPs团聚。应合理确定GnPs含量，以防止结块导致机械性能下降。

模拟结果主要解释了压实过程中的温度变化。另外，成功地进行了数值模拟，以评估薄膜堆叠过程中石墨烯的加工温度和在PP纤维建立的格栅化结构中的取向机制。研究发现，GnPs的取向受到流场的影响，当填充纤维之间的间隙时，GnPs可以增强，这证明了GnPs在单向纤维区域上通过流场高度定向。此外，自增强复合材料结构可以在GnPs取向的方向上被GnPs增强。模拟结果很好地说明了制备的PP-SrPC的界面结合力和力学性能显著提高的原因。

这种新的技术方法有可能用于工业制造具有优异机械性能的经济型石墨烯/聚合物纳米复合材料。与碳纳米管等纳米增强材料相比，石墨烯更便宜，而且该技术需要的石墨烯含量很少。随着航空航天、交通运输、运动休闲等多个领域制品对轻量化的迫切需求，该成果都有很大的经济价值和应用前景。未来的工作将集中在通过预张力改善单向连续纤维的直线排列，石墨烯薄片的质量将得到改善，也将进一步验证数值模拟的预测准确性。

以上研究成果以《Self-reinforced composites based on polypropylene fiber and graphene nano-platelets/polypropylene film》为题在材料领域权威期刊Carbon（189 (2022) 586-595）上发表，已申请国家发明专利202311098146X。该论文第一作者和通讯作者为北京化工大学王建教授。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.12.098

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（责任编辑：xu）

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