新型热塑性材料的石墨烯纳米复合材料

鉴于其各种技术领域的潜在应用，石墨烯已成为密集调查的主题，从下一代太阳能电池和储氢到超级电容器和高端复合材料的潜在应用。石墨烯的特殊二维结构也可用于通过其掺入合适的基质来增强和定制现有材料的物理性质。胶体有限公司与曼彻斯特大学合作，正在利用石墨烯的独特特性，以开发新的聚合物/石墨烯纳米复合材料，并高档其生产，以解决当前和未来的市场挑战。

2004年石墨烯的分离和表征是近年来材料科学领域最引人注目和影响深远的进展之一。安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫关于二维材料石墨烯的开创性实验，这使两位曼彻斯特大学的科学家获得了2010年的诺贝尔物理学奖，引发了人们对这种材料(其存在的理论可追溯到1947年)及其在化学、物理和技术方面的应用潜力的极大兴趣。

石墨烯由碳原子组成，类似于它的同素异形体钻石和石墨，但它的结构非常简单，单片碳原子排列在六角形蜂窝晶格中。因此，它是一个真正的二维系统，其结构、力学、化学和电学性质与这一特征密切相关。

石墨烯具有卓越的强度、柔韧性、轻量化和电子性能，目前和未来潜在的应用数量几乎是无限的。生物医学应用(药物传递和生物传感器)、可穿戴技术的电子元件、能源生产材料和水净化的存储和过滤设备，只是这种有趣材料目前的一小部分用途。2013年，欧盟设立了10亿欧元的拨款，用于探索石墨烯未来的潜在应用。

石墨烯具有卓越的强度、柔韧性、轻量化和电子性能，目前和未来潜在的应用数量几乎是无限的。

利用石墨烯的非凡性质的最有效方法之一是通过将其与现有材料组合来获得具有增强物理性质的复合材料。胶体公司与曼彻斯特大学合作，正在探索生产聚合物/石墨烯纳米复合材料的新方法，并在工业规模上开发其生产的可持续工艺。

工业用热塑性材料
胶体自1967年以来一直处于热塑性材料开发和市场的前沿。热塑性塑料是一种聚合材料，在高温下可模塑，冷却后可固化。它们的结构由聚合物链组成，由分子间的作用力连接，随着温度的升高而减弱，形成粘性液体。在这种状态下，热塑性塑料可以使用各种聚合物加工技术进行整形。胶体专门为热塑性塑料工业提供广泛的色母粒。

母粒是塑料的固体或液体添加剂，用于给塑料材料着色或赋予特定的性能，如抗紫外线辐射和氧化，提高稳定性，阻燃性，导电性和降解性。它们是颜料或其他添加剂的浓缩混合物，在高温下加入载体树脂，然后冷却并切割成颗粒。使用母粒通常比获得完全复合塑料材料更可取，因为可获得的颜色和性能的选择范围更广，通常是因为与完全复合塑料相比，成本和灵活性更低。色母粒也为现场复合提供了优势，现场复合可能因为需要实现颜料或添加剂在塑料基体中的完全分散而变得复杂，经常导致添加剂在聚合物基体中的无效结合。

色母粒的市场与应用
色母粒可用于许多应用场合，其中塑料材料是方便和成本效益高的，功能是关键。例如，在农业中，它们可以应用于温室薄膜的生产，以控制清晰度、热/光传输、耐化学性、机械强度和紫外线稳定性。在电子和电气工业中，母粒可用于控制电子电路材料的导电、耗散和防静电性能。在建筑和建筑行业，他们实现材料耐久性，强度和耐候性，同时严格遵守建筑规范和法规的要求。以母粒为基础的塑料材料生产的关键优势之一是能够适应和微调母粒性能和成分，以获得高度定制的配方，满足特定的要求。这在电子行业、制药行业和化妆品行业尤为重要，在这些行业中，安全、客户期望和美学都发挥着至关重要的作用。

热塑性纳米复合材料
将石墨烯(和其他二维材料)纳米颗粒加入聚合物基体中，是一种很有前景的方法，可以进一步增强为特定应用定制塑料材料性能的能力。原则上，机械、电学和热学性能都可以通过制定合适的纳米复合材料合成工艺来解决特定的目标。有几个因素可以影响性能的增强，包括在基体中获得二维材料均匀分散的能力，加工技术，石墨烯纳米颗粒的方向和它们的纵横比和负载在基体中。此外，可以用来提高一种性能的加工条件对其他性能可能并不理想。例如，石墨烯纳米颗粒的表面功能化通常会改善纳米复合材料的机械性能，但会恶化纳米复合材料的电性能。因此，精心优化合成条件以获得具有理想性能的纳米复合材料是非常重要的。

石墨烯纳米复合材料的前景与挑战
尽管二维石墨烯纳米复合材料的潜在好处早已被人们所认识，但实现优化合成工艺的最佳途径以及将这些工艺大规模用于工业生产的能力仍面临一些挑战。主要问题之一是能否获得足够多的高质量石墨烯，用于纳米复合材料的工业生产。目前，高效生产纳米复合材料的最佳质量石墨烯被认为是具有最大纵横比和纳米颗粒结构中几个碳层厚度的材料。纳米颗粒填料在聚合物基体内的分散应是均匀的，以防止聚集物的形成，聚集物可作为失效点。纳米粒子和基质之间的键合也应该很强，这样应力就可以在它们之间有效地转移。此外，纳米颗粒不应出现皱纹、杂质或缺陷，这些都会影响其性能。石墨烯的化学功能化和包含增容剂以增强其分散性可用于促进纳米复合材料的形成，但缺点是需要过度使用化学物质和溶剂。

实现优化合成工艺的最佳途径以及将这些工艺用于工业生产的能力仍然存在一些挑战。

加入产业界和学术界
为帮助解决这些问题并设计大规模石墨烯纳米复合材料生产的强大方法，胶体与曼彻斯特大学和国家石墨烯学院积极与。本企业的目标是在大学最先进的研究和行业之间创建一个联系。

Colloids领导的这个四到五年项目的范围是开发基于石墨烯和其他二维材料的纳米复合材料，以广泛的热塑性材料，包括聚烯烃、聚酰胺和聚酯，并了解如何机械、热、电，流变学和气体屏障特性(除其他外)受到生产过程和所用材料的影响。除了曼彻斯特大学国家石墨烯研究所(NGI)的参与，该项目还涉及与石墨烯工程创新中心(GEIC)和亨利·罗伊斯爵士研究所的合作。与目前市场上可用的产品相比，将提出、开发和扩大新的合成纳米复合材料的工艺，用于工业生产。

随着石墨烯的首次分离和表征，人们对其作为一种“神奇材料”在技术(以及基础科学)中的应用的兴趣一直在稳步上升。石墨烯科学的下一个前沿将是有效和可持续地将这种材料用于日常大批量生产产品。Colloids发起的这项工作将为石墨烯材料作为日常用品和工业和家庭环境中的高性能材料的扩散和使用做出重要贡献。