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[交流] 石墨烯於功能性高分子複合材料的應用已有3人参与

石墨烯於功能性高分子複合材料的應用 2012/4/10
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石墨烯是目前世界上最薄、卻也是最堅硬的奈米材料，單層石墨烯(Single-layered Graphene)只有一層碳原子的厚度，幾乎是完全透明的，其拉升?姸瓤蛇_125 GPa ，約為碳纖維的50 倍，鋼的300 多倍。表一整理了石墨烯、奈米碳管及一般常見材料的機械特性，可供讀者做為概念性參考。除了質輕、高?姸鹊奶匦酝猓┑莫毺貦C械特性還包括高拉伸模數，也引起科學界的?娏遗d趣，根據文獻報導，以石墨烯為補?姴乃u備而成的高分子複合材料，其楊氏模數更可高達1.1 TPa。同時石墨烯具有優�?的導電導熱與力學性質，可做為製備高?姸取⒏邔щ娧}合材料的理想奈米級補?姴摹５墙Y構完整的石墨烯是由不含任何不穩定鍵的苯六元環組合而成的二維晶體，化學穩定性高，其表面呈現惰性狀態，與其他介質及有機溶劑相互作用較弱，且石墨烯片之間的?姺驳猛吡κ蛊淙菀桩a生團聚，不易分散於水、有機溶劑及不同高分子材料系統，因而限制了石墨烯的進一步研究與應用。

目前較適合應用之複合材料系統的石墨烯主要是由石墨脫層而?恚淇山逵蓡渭兊臋C械力、化學氧化程序、化學/ 電化學輔助脫層等製程進行製備，但整體而言皆會對石墨結構造成一定程度的破壞而使所得的石墨烯特性與理論值存有相當大的差距；另一方面，石墨脫層程度?K無法有效得到單層石墨烯，其平均層數通常也隨不同製程而介於數層到數十層之間，因此部分文獻會以Graphene Nanosheets (GNS)或Graphene Nanoplates (GNP)進行描述。

石墨烯/ 高分子複合材料之製備
1. 液相混合
液相混合(Solvent Blending)製程主要是利用表面具有官能基的氧化石墨烯(Graphene Oxide; GO)或官能化石墨烯(Functionalized Graphene)可直接分散於極性溶劑的特性，?K將所需之高分子溶於其中，藉由機械攪拌、高剪切力混合或超音波震盪等程序使其均勻混合，再透過溶劑揮發/ 鑄膜成型或導入非溶劑中進行沉?盏确绞叫纬纱搜}合材料。此製程可應用於聚苯乙烯(Polystyrene; PS)、聚醯?啺�(Polyimide; PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate; PMMA)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol; PVA)等高分子系統。
3. 熔融混合
相較於前述兩液相製程，熔融混合(Melt Mixing)為目前較具商業化應用可能性的製程方法，其主要是將石墨烯粉體直接利用單/ 雙螺桿擠出機(Screw Extruder)與高分子材料進行混合，藉由調整螺桿轉速、溫度與混合時間等製程參數進行兩材料摻混特性。其中，高分子材料僅能選擇諸如聚碳酸酯(Polycarbonate; PC)、聚丙烯(Polypropylene; PP)、聚醯胺(Polyamide; PA)、聚酯(Polyester)等熱塑性高分子。然而，此製程法仍面臨兩項主要缺點，其一因石墨烯材料密度低且體積膨鬆，使其進料不易；另一方面，由於是以乾粉方式進料，其在高分子素材之分散性也較溶液製程差，將導致其相對應用特性上較無法有效發揮。

石墨烯/ 高分子複合材料之物性
1. 機械特性
如同其他�?型的複合材料，石墨烯複合材料的機械特性及補?姴模ㄊ╈痘闹械�?舛取⑹╅L?奖�(Aspect Ratio)、石墨烯在基材中的分布情形，以及石墨烯與基材間介面的特性均有?娏业年P連。若能增加石墨烯於高分子基材間的分散度與?舛龋瑒t可進而提升複合材料的機械性質。

此外，有研究發現，石墨烯對低模數的?椥曰模‥lastomer ，如橡膠、PDMS 及TPU）有更顯著的機械特性增?娦Ч缣砑�2.2 wt%的石墨烯於PDMS 中，可提升PDMS 的模數高達1,100% ，主要是因為補?姴模ㄊ┡c?椥曰谋旧砭哂蟹浅ｏ@著的模數差�?。而對於較高模數的玻璃態高分子（Glassy Polymer，如PMMA、PVA及 Epoxy）而言，添加石墨烯也有不錯的機械特性補?娦Ч� 例如添加0.01wt% 的石墨烯於PMMA中，其模數約可提升33%，而添加0.1 wt% 的石墨烯於環氧樹脂(Epoxy)中，其拉伸模數約可提升31%。

圖二、石墨烯/聚苯乙烯複合材料電導率與石墨烯添加量的關係圖

3. 導熱特性
有鑑於一般高分子基材的熱導率(Thermal Conductivity)大多小於……以上內容為重點摘錄，如欲詳全文請見原文

圖四、石墨烯/ 高分子複合材料的等效熱導率與(a)石墨烯尺寸及(b)不同添加量之單層與五層石墨烯的關係圖

作者：江偉宏 / 工研院材化所，郭信良 / 工研院綠能所
★本文�?錄自「工業材料雜誌304期」，更多資料請見：http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10239

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