石墨烯改性抗静电材料的研究进展
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作者:余吕宏
摘 要：综述了近年来国内石墨烯及其衍生物在高分子改性技术上的研究进展，包括石墨烯改性的聚氯乙烯、聚烯烃、尼龙、聚苯硫醚以及涂层等。根据上述的不同的研究方向，对比了石墨烯与传统抗静电剂的使用效果及性能。重点介绍与不同碳系抗静电剂改性后抗静电性能的研究现状，展望了未来石墨烯改性技术的发展趋势。
关键词：石墨烯;抗静电剂;表面电阻率
随着经济的发展，石油煤炭的资源开发和运输成为了我国的支柱产业，但开采和运输过程中伴随的静电现象成为了严重的安全隐患。材料之间摩擦产生的静电，往往由于运载管道或器材为绝缘的高分子材料，因此静电无法泄漏，经过长时间的累积，容易产生高负荷的静电压，造成明显的放电现象，严重时可能导致煤矿井等设备的爆炸。因此，抗静电技术的开发成为了全球关注的热点，通过添加抗静电剂的方式成为了重要解决措施。
自从2004年至今，石墨烯已广泛应用于可穿戴设备、新能源汽车、橡胶、健康医疗等领域。石墨烯材料不仅密度低、强度高，而且具有优异的导热导电性能，因此成为了未来先进纳米材料的发展方向。本文通过以石墨烯或氧化石墨烯作为抗静电剂，讨论了在不同改性高分子领域中的应用和现状，论述其今后的发展方向。
一、石墨烯材料与氧化石墨烯
石墨烯通常指的是单层或者寡层的石墨薄片，其结构与石墨类似，为二维的蜂窝状六角晶体结构。由于石墨烯中只有键长为0.142nm的C-C共价键，结构稳定且具有优良的柔韧性，因此，使得石墨烯具有质轻、高轻度，良好的导电和导热性能，透光性好和热稳定性好等特点。但是石墨烯为非极性材料，不仅不能分散于水中，而且与极性材料相容性差。
因此，目前通常采用氧化还原的方法，制备出具有良好水溶性的氧化石墨烯，虽然与石墨烯相比，氧化石墨烯的π-π结构部分发生的反应，降低其导电性能，但较大的比表面积、强度和导热性能仍促进了氧化石墨烯在高分子改性领域的应用。
二、石墨烯改性塑料材料
（一）石墨烯改性的聚氯乙烯材料
聚氯乙烯（PVC）材料由于其良好的耐磨性、耐腐蚀性、阻隔性和阻燃性，广泛应用于煤炭、石化和液体化学品等物质的开采和管道输送中。但PVC材料表面电阻高达1014-1017Ω，容易产生静电危害。目前常用的导电填料，如炭黑和其他化学抗静电剂，均对PVC性能影响较大。因此付世创等[1]通过添加3份石墨烯和1份PE蜡制备表面电阻低至106Ω，拉伸强度高达55MPa的PVC管材。
把非极性分散剂添加到PVC材料当中，可有效降低与石墨烯材料之间的界面能，达到更好的分散效果，在熔融过程中避免石墨烯发生团聚的问题。其中PE蜡因含有非极性亚甲基链，与石墨烯有较好相容性，对其分散性能有较好的改善，同时在熔融共混过程中，解决石墨烯材料产生团聚的问题。经石墨烯改性后的PVC材料，不仅改善了PVC的塑化性能，而且可用于耐高压的供排水管、正负压风管以及排放瓦斯管等领域。
（二）石墨烯改性的聚烯烃材料
与PVC材料相似，聚烯烃同样具有较高的体积电导率，一般高达1016-1018Ω·m，属于绝缘材料。但由于聚烯烃材料具有良好的耐水性、耐化学性和力学性能，广泛应用于日常生活的产品中，如薄膜、管材和板材等。
有研究表面添加25份抗静电剂，以及相容剂改性可制得表面电阻率达2.2×109Ω的PP材料。与常规抗静电剂相比，碳系抗静电剂包括炭黑、石墨、碳纤维和石墨烯，不仅有效地改善其抗静电性能，而且对聚烯烃基材有良好的增强作用，同时具有密度低、物理性能稳定等特点。
（三）石墨烯改性的尼龙材料
与通用塑料相比，工程塑料具有高强度、密度小和耐腐蚀性优点，已逐步替代传统金属材料。但随着环保要求的日前提高，与石油基材料相比，生物基聚酰胺类材料PA610，PA612和PA1010等也得到更多重视。其中以PA612为例，其表面电阻率为1014Ω。佘进娟等[3]通过添加不同的碳系抗静电，对比其对PA612的影响，同样添加量为5%，导电炭黑改性的PA612表面电阻率无变化，仍为1014Ω，石墨烯改性的PA612表面电阻率为108Ω，而碳纳米管改性的PA612表面电阻率达到107Ω。实验证明，石墨烯和碳纳米管在尼龙材料上具有更好的抗静电改性效果，虽然石墨烯改性的PA612材料表面电阻比碳纳米管改性的高一个数量级，但结合成本计算，石墨烯尼龙改性材料在未来更具有发展前景。
三、石墨烯改性涂层材料
除了在塑料改性方面，石墨烯改性技术也常用于涂料改性，目前主要应用于聚氨酯涂层中。但随着石化化工资源的日益减少，天然可再生的生漆/桐油涂料是一个更好的替代产品。生漆-桐油不仅具有良好的机械防腐蚀性能，而且在我国种植面积广，产量较大，有广泛的应用领域。但生漆/桐油涂料本身不导电，因此外添加抗静电剂可有效地改善这一问题。万长鑫等对比了不同碳系抗静电剂的结果，表面采用0.6%石墨烯填充的生漆/桐油复合涂层材料，表面电阻由1014Ω降低至107Ω，同时提高了涂层的耐冲击性和柔韧性，而且改善了其附着性能。与传统的炭黑、石墨等碳系抗静电剂相比，石墨烯的添加量仅为上述助剂的5-10%，因此随着石墨烯产业化的快速发展，生产成本的逐步降低，石墨烯有可能成为进口抗静电填料的重要发展方向。
四、结论
综上所述，在塑料或涂层材料中外添加抗静电剂的方法不仅制备工艺简便，而且适应性广，材料电阻可调范围大，日益受国内外研究人员的重视，随着石墨烯、碳纳米管等新型抗静电剂的应用，进一步推进了石墨烯改性技术在防静电功能上的发展。虽然目前石墨烯材料成本仍比较高，但随着石墨烯改性和表面修饰技术日益成熟，生产能力逐步提高，而且更低的添加量，也有利于环保型抗静电改性/复合材料的快速发展。
参考文献：
[1]付世创，庄鹏程，张凌.石墨烯/PVC材料抗静电材料的开发[J].聚氯乙烯，2018，46（6）：15-17.
[2]佘进娟，王承刚，张雪锋，任业伟，高福欣.增强增韧抗静电尼龙612材料的制备及性能[J].工程塑料应用，2017，45（6）：52-55.
[3]万长鑫，肖邵博，黄琼濤，旷春桃，杨焰，廖有为.石墨烯/生漆复合抗静电涂层的制备与性能[J].腐蚀与防护，2017，38（7）：533-536.
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