南澳大利亚大学、南澳大学STEM和未来工业研究所Xiao Su等--含多壁碳纳米管和石墨烯纳米片的聚合物纳米复合材料的比较研究

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多壁碳纳米管(MWCNTs)和石墨烯(纳米)小片(GNPs或GnPs，每个小片的厚度小于10 nm)具有优异的力学和实用性能，已越来越多地用于聚合物纳米复合材料的开发。由于多壁碳纳米管目前在工业应用中的成本效益为每公斤30美元，因此这项工作首先简要回顾了多壁碳纳米管的解缠和表面改性，以及由此产生的聚合物纳米复合材料的性能。GNPs可通过石墨插层化合物的热处理和超声处理来制备，与MWCNTs相比，GNPs的成本较低，但具有较高的1400S cm^-1以上的电导率。通过适当的表面改性和复合技术，这两种填料都可以增强或增韧聚合物，同时增加抗静电性能。较高的MWCNTs/GNPs比将提高聚合物的协同效应。绿色、无溶剂的合成方法是制备聚合物纳米复合材料的理想方法。对研究的局限性、当前的挑战和未来的前景进行了展望。

图1. (a)2012-2021年标题搜索中以碳纳米管、石墨烯和复合材料为关键词的出版物数量(Clarivate Analytic数据库；截至2021年7月)，以及(b)2017年至2021年关于“碳纳米管石墨烯复合材料”的出版物。

图2. 聚合物复合材料和纳米复合材料的杨氏模量与拉伸强度的Ashby曲线图。

图3. (a)颗粒大小对聚合物复合材料拉伸强度的影响。(b)微米级填料和纳米级填料之间颗粒距离的比较，以及(c)总颗粒表面的比较。

图4. (a及其插页)原始的MWCNTs，(b)黑色箭头表示侧壁已损坏，(c)改性MWCNT的开口端盖，(d)圆圈表示改性MWCNTs上的缺陷，(e)白色箭头表示侧壁边缘，以及(f)侧壁部分损坏。

图5. 具有不同填料取向的MWCNT纳米复合材料的示意图：(a)对齐的，(b)平面内随机取向，(c)3D随机取向。

图6. 最常见的石墨烯生产方法的主要特征比例为0-3：G表示石墨烯质量，C表示生产成本(低值对应于高生产成本)，S表示可伸缩性，P表示纯度，Y表示每条制备路线的产率。

图7.微波还原GO纳米片的高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)显微照片。(a)单层化学还原的GO呈现高密度的缺陷。红色箭头表示孔，蓝色箭头表示含氧官能团。双层(b)和三层(c)MW-rGO呈现高度有序的结构。比例尺，1 nm。

图8. 给定体积的基质中的GNPs数量(左)及其总表面积(右) 。

图9. 石墨烯纳米片共价修饰示意图。

图10. (a)MWCNTs，(b)GNPs和(c)MWCNT-GNP杂化物的SEM显微照片。

图11. 总结了各种MWCNT和GNP复合材料的示意图，这些复合材料具有预期的增强性能可用于未来的应用，以及六个关键参数。

相关研究成果由南澳大利亚大学、南澳大学STEM和未来工业研究所Xiao Su等人于2021年发表在Nano Materials Science (https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.08.003)上。原文：A comparative study of polymer nanocomposites containing multi-walled carbon nanotubes and graphene nanoplatelets。

转自《石墨烯研究》公众号



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