双螺杆挤出石墨烯改性再生PVDF材料

聚偏氟乙烯(PVDF)是一种具有良好化学稳定性、热稳定性和突出介电性能的高分子聚合物材料，在机械、化工、电子、纺织、生物化学等领域得到广泛的应用，如制作介电材料、各种电池隔膜、光伏电池保护膜等。随着PVDF制品的应用增多，其使用过程的废弃物、加工剩余的边角废料等给环境造成严重的影响。PVDF含有氟元素，一般的填埋、燃烧会对环境造成二次污染，因此，研究PVDF的废料再生利用，对于可持续发展的国家战略十分重要。

石墨烯是一种层状结构的纳米材料，在提高聚合物复合材料的力学、电学、阻燃和热学性能等方面具有明显的结构优势，对其研究成为了新材料领域的前沿课题之一。

徐百平教授发明的新型非对称同向双螺杆挤出机技术是将非对称效应引入到聚合物共混挤出加工过程中，使熔融物料在非对称螺杆中不断地挤压和拉伸，增强对共混体系的分散和均化作用，从而实现物料的高效混合，使得所加工共混材料的分散相颗粒粒径更小，分布更均匀。广东轻工职业技术学院谭寿再等以回收工业生产光伏电池背板保护PVDF废膜为基材，利用新型非对称同向双螺杆挤出机，采用熔融共混法制备PVDF／石墨烯复合材料，并进一步研究石墨烯对复合材料性能的影响。

石墨烯改性PVDF材料配方

石墨烯对复合材料力学性能的影响

随着石墨烯含量的增加，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均表现出先提高后降低的趋势。当石墨烯添加量为3%时，拉伸强度有最大值30.2 MPa，比未添加石墨烯时拉伸强度提高了22.6%，断裂伸长率则提高了80%。

当石墨烯加入5%时，试样的冲击强度为13.9 kJ／m2，比纯PVDF增加了8.6%。这是因为石墨具有较高的强度，在外力作用下，石墨烯的变形远小于PVDF基体，在复合材料内部形成应力集中点。

石墨烯对复合材料热学性能的影响

由表2可见，复合材料试样的结晶峰温度比PVDF提高1～3℃，结晶度略有提高。这是因为石墨烯在基体中起到异相成核剂的作用。

石墨烯对复合材料导电性能的影响

由上图可知，随着石墨烯含量的增加，试样的体积电阻率和表面电阻率都降低，电导率升高。添加5%石墨烯，复合材料试样的导电性能最好，电导率由不加石墨烯时的2.34×10–14 S／m提高到1.68×10–9 S／m，体积电阻率为8.98×108 Ω·m，表面电阻率为1.18×1012 Ω。

石墨烯改性PVDF复合材料的SEM照片

石墨烯含量：a—1%；b—2%；c—3%；d—4%；e—5%

石墨烯与PVDF基体树脂界面模糊，石墨烯与基体形成了良好的界面作用，未见明显的团聚现象。可见采用新型同向非对称双螺杆挤出机对于多组分聚合物混合分散有比较好的效果。

图(e)中石墨烯含量为5%时，断面出现石墨烯被拔出的凹坑，这是石墨烯添加量大造成少量团聚的原因，故其拉伸强度呈现降低趋势，但石墨烯脱离基体需要消耗更多的冲击能量，其宏观表现为冲击强度提高。

结论

(1)当石墨烯质量分数小于5%时，采用新型非对称同向双螺杆挤出机制备再生PVDF／石墨烯复合材料，石墨烯在基体中分散均匀。

(2)石墨烯对PVDF基体具有增强增韧的效果。

(3)石墨烯能提高再生PVDF／石墨烯复合材料的热稳定性。

(4)石墨烯能提高复合材料的导电性能，添加5%石墨烯的复合材料试样电导率由不加石墨烯时的2.34×10–14 s／m提高到1.68×10–9 s／m，体积电阻率和表面电阻率随着石墨烯含量增加而降低。