主要內容

    由于石墨烯具有非凡的物理性能，如電導率，熱導率，機械強度和阻隔性能，因此填充石墨烯的聚合物復合材料受到了極大關注。石墨烯取向以及聚合物和石墨烯等填料顆粒之間的相互作用都可能導致界面缺陷而對復合材料性能產生負面影響。例如，與隨機取向的樣品相比，石墨烯薄片（取向對齊）復合材料的楊氏模量幾乎可以加倍，該類具有高度對齊石墨烯薄片的復合材料顯示出優異電磁干擾屏蔽功能與氣體/液體屏障效果。由于石墨烯的構象和分散難以控制，如何在聚合物復合材料中發揮石墨烯的優異物理性能，制備出均勻一致的石墨烯聚合物復合材料是一項重大挑戰。

    剪切處理填充有碳納米管（CNT）和炭黑（CB）的聚合物會破壞聚合物復合材料內的導電網絡，而在剪切停止時進行隨后的導電恢復過程。同樣，在注塑成型之后，聚碳酸酯復合材料中的石墨對齊，隨后石墨定向性減弱而導電性增強。因此，直接監測石墨烯復合材料的電學性能對理解石墨烯結構和復合材料性能在變形下如何變化具有重要意義。

    英國杜倫大學Karl S. Coleman等人制備了石墨烯聚合物復合材料，觀察到不同剪切速率下阻抗的顯著變化；并將阻抗變化與納米石墨烯（GNPs）結構、方向和分散的演變聯系起來，揭示了GNPs形態結構對復合材料性能的影響機制，即低剪切速率≤0.1s-1可抑制石墨烯復合材料中典型的GNP團聚，將GNP部分剝落成片層石墨烯，GNP取向降低，電導率增強，而在更高的剪切速率下，石墨烯填充的網狀結構被破壞，GNP取向增強，電導率降低四個數量級；在剪切力去除并且工藝溫度保持不變的情況下，復合材料的導電率進一步變化，說明其結構在繼續演變。以上工作為理解和控制復合材料中GNP的取向和分散提供了重要的見解，并且將對工業制備石墨烯聚合物復合材料的設計優化和工藝選擇產生重要影響。

    圖文賞析

    圖1.復合材料中GNP結構的處理效果圖：最初復合材料形成網絡凝聚結構。在低剪切力（1）下，可分解GNP團聚并剝離石墨烯，形成更有效的網絡，增強導電性。在更高的剪切速率（2）下，導電率隨著GNP對齊度的增加而降低。在退火過程中，對齊的GNP開始松弛，增加了電導率（3），但隨著更多的退火，GNP將重新聚集成離散的GNP團聚體，從而降低電導率（4）。最終發生了GNP的二次聚集，形成了一個連接網絡，并再次提高了電導率（5）。

    圖2.流變阻抗器件的流程圖：（a）環形電極作為底板，提供可控剪切速率；（b）良好的GNP網絡結構具有低阻抗。（c）對齊的GNP產生高阻抗。

    圖3.聚苯乙烯+ 5 vol％GNP：（a）在0.01-3s-1的剪切速率下不同圖1步驟的阻抗變化；（b）剪切期間阻抗相位角變化。

    圖4.在200℃退火過程中聚苯乙烯+ 5 vol％GNP的（a）阻抗變化和（b）停止剪切后阻抗相位角φ作為先前的剪切速率的函數。（a）和（b）均按圖1中的步驟突出了不同的處理階段。

    圖5.在200℃（1）0.3s-1剪切-（2）退火-（3）0.01s-1剪切-（4）退火的循環處理過程中聚苯乙烯+ 5 vol％GNP的阻抗| Z |變化。

    圖6. 200℃下聚苯乙烯+ 5vol％GNPs復合材料的小角度X射線散射圖（SAXS）：在0.01s-1剪切和70s 0.3s-1剪切之后的二維散射圖案。 散射圖中的各向異性顯示復合材料中GNP的排列，其隨著剪切增加而增強。繪制散射強度作為方位角0.002-0.0035 ??1內的的函數。由二維散射圖案計算出的0.01s-1剪切后的樣品（藍色）和0.3s-1剪切后的樣品（紅色）。0度表示探測器圖像上的3點鐘位置，并且角度沿順時針方向增加，在這些剪切速率之間，取向因子從0.27增加到0.47。

    圖7.在200℃剪切下，由聚苯乙烯+ 5vol％GNP復合材料SAXS計算出的取向因子：（a）0.01s-1速率剪切而隨后退火過程的GNP取向因子；（b）剪切速率為0.3 s-1（紅色圓點表示）和1.8 s-1（藍色菱形表示）的取向因子和阻抗變化。

    參考文獻：

    Chem. Mater.2018, 30, 1524?1531.