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聚偏氟乙烯(PVDF)是一種具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和突出介電性能的高分子聚合物材料，在機(jī)械、化工、電子、紡織、生物化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如制作介電材料、各種電池隔膜、光伏電池保護(hù)膜等。隨著PVDF制品的應(yīng)用增多，其使用過程的廢棄物、加工剩余的邊角廢料等給環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。PVDF含有氟元素，一般的填埋、燃燒會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，因此，研究PVDF的廢料再生利用，對(duì)于可持續(xù)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略十分重要。

石墨烯是一種層狀結(jié)構(gòu)的納米材料，在提高聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、電學(xué)、阻燃和熱學(xué)性能等方面具有明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，對(duì)其研究成為了新材料領(lǐng)域的前沿課題之一。

徐百平教授發(fā)明的新型非對(duì)稱同向雙螺桿擠出機(jī)技術(shù)是將非對(duì)稱效應(yīng)引入到聚合物共混擠出加工過程中，使熔融物料在非對(duì)稱螺桿中不斷地?cái)D壓和拉伸，增強(qiáng)對(duì)共混體系的分散和均化作用，從而實(shí)現(xiàn)物料的高效混合，使得所加工共混材料的分散相顆粒粒徑更小，分布更均勻。廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院譚壽再等以回收工業(yè)生產(chǎn)光伏電池背板保護(hù)PVDF廢膜為基材，利用新型非對(duì)稱同向雙螺桿擠出機(jī)，采用熔融共混法制備PVDF／石墨烯復(fù)合材料，并進(jìn)一步研究石墨烯對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

石墨烯改性PVDF材料配方

石墨烯對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均表現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)石墨烯添加量為3%時(shí)，拉伸強(qiáng)度有最大值30.2?MPa，比未添加石墨烯時(shí)拉伸強(qiáng)度提高了22.6%，斷裂伸長(zhǎng)率則提高了80%。

當(dāng)石墨烯加入5%時(shí)，試樣的沖擊強(qiáng)度為13.9?kJ／m2，比純PVDF增加了8.6%。這是因?yàn)槭哂休^高的強(qiáng)度，在外力作用下，石墨烯的變形遠(yuǎn)小于PVDF基體，在復(fù)合材料內(nèi)部形成應(yīng)力集中點(diǎn)。

石墨烯對(duì)復(fù)合材料熱學(xué)性能的影響

由表2可見，復(fù)合材料試樣的結(jié)晶峰溫度比PVDF提高1～3℃，結(jié)晶度略有提高。這是因?yàn)?/span>石墨烯在基體中起到異相成核劑的作用。

石墨烯對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響

由上圖可知，隨著石墨烯含量的增加，試樣的體積電阻率和表面電阻率都降低，電導(dǎo)率升高。添加5%石墨烯，復(fù)合材料試樣的導(dǎo)電性能最好，電導(dǎo)率由不加石墨烯時(shí)的2.34×10–14?S／m提高到1.68×10–9?S／m，體積電阻率為8.98×108?Ω·m，表面電阻率為1.18×1012?Ω。

石墨烯改性PVDF復(fù)合材料的SEM照片

石墨烯含量：a—1%；b—2%；c—3%；d—4%；e—5%

石墨烯與PVDF基體樹脂界面模糊，石墨烯與基體形成了良好的界面作用，未見明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。可見采用新型同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)對(duì)于多組分聚合物混合分散有比較好的效果。

圖(e)中石墨烯含量為5%時(shí)，斷面出現(xiàn)石墨烯被拔出的凹坑，這是石墨烯添加量大造成少量團(tuán)聚的原因，故其拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但石墨烯脫離基體需要消耗更多的沖擊能量，其宏觀表現(xiàn)為沖擊強(qiáng)度提高。

結(jié)論

(1)當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)，采用新型非對(duì)稱同向雙螺桿擠出機(jī)制備再生PVDF／石墨烯復(fù)合材料，石墨烯在基體中分散均勻。

(2)石墨烯對(duì)PVDF基體具有增強(qiáng)增韌的效果。

(3)石墨烯能提高再生PVDF／石墨烯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。

(4)石墨烯能提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，添加5%石墨烯的復(fù)合材料試樣電導(dǎo)率由不加石墨烯時(shí)的2.34×10–14?s／m提高到1.68×10–9?s／m，體積電阻率和表面電阻率隨著石墨烯含量增加而降低。