用于新型热塑性材料的石墨烯纳米复合材料

鉴于石墨烯在各种技术领域的潜在应用，从下一代太阳能电池和储氢材料到超级电容器和高端复合材料，石墨烯一直是深入研究的主题。石墨烯奇特的二维结构还可用于增强和定制现有材料的物理性质，方法是将石墨烯加入合适的基质中。高莱有限公司与曼彻斯特大学合作，正在利用石墨烯的独特性能开发新型聚合物/石墨烯纳米复合材料，并扩大其生产规模，以应对当前和未来的市场挑战。

2004 年石墨烯的剥离和表征是近年来材料科学领域最引人注目、影响最深远的进展之一。安德烈-盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁-诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）关于二维材料石墨烯的开创性实验使曼彻斯特大学的两位科学家获得了 2010 年诺贝尔物理学奖，从而引发了人们对这种材料（早在 1947 年就有理论认为它的存在）及其在化学、物理和技术领域应用潜力的极大兴趣。

石墨烯由碳原子组成，与其同素异形体金刚石和石墨相似，但其结构非常简单，单层碳原子排列成六角蜂窝状晶格。因此，它是一个真正的二维系统，其结构、机械、化学和电气特性都与这一特征密切相关。

利用石墨烯卓越的强度、柔韧性、轻质和电子特性，目前和未来的潜在应用几乎是无限的。生物医学应用（药物输送和生物传感器）、可穿戴技术的电子元件、能源生产和储存材料以及用于水净化的过滤装置只是这种神奇材料目前用途的一小部分。2013 年，欧盟设立了一项 10 亿欧元的基金，用于探索石墨烯未来的潜在应用。

利用石墨烯卓越的强度、柔韧性、轻质和电子特性，其当前和未来的潜在应用几乎是无限的。

利用石墨烯非凡特性的最有效方法之一是将其与现有材料相结合，从而获得物理性能更强的复合材料。高莱有限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，并为其工业化生产开发可持续的工艺。

工业用热塑性材料

自 1967 年以来，高莱公司一直处于热塑性材料开发和营销的前沿。热塑性塑料是一种可在高温下成型并在冷却后凝固的聚合材料。其结构由分子间作用力连接的聚合物链组成，随着温度的升高，分子间作用力减弱，从而形成粘性液体。在这种状态下，热塑性塑料可通过各种聚合物加工技术进行重塑。Colloids 专门为热塑性塑料行业提供各种色母粒。

色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性能，如抗紫外线辐射和抗氧化性、提高稳定性、耐火性、导电性和可降解性。它们是颜料或其他添加剂的浓缩混合物，在高温下与载体树脂混合，然后冷却并切割成颗粒。使用色母粒通常比获得完全混合的塑料材料更有优势，因为可以获得更多的颜色和性能选择，而且与完全混合的塑料相比，成本更低，灵活性更强。母料还具有优于现场配制的优点，因为现场配制可能会因为需要将颜料或添加剂完全分散在塑料基体中而变得复杂，而且经常会导致添加剂无法有效地掺入聚合物基体中。

色母粒的市场和应用

色母粒可用于许多应用领域，其中塑料材料使用方便、成本效益高，而且功能性是关键。例如，在农业领域，色母粒可用于生产温室薄膜，以控制透明度、透热/透光性、耐化学性、机械强度和紫外线稳定性。在电子和电气行业，色母粒可用于控制电子电路材料的导电、耗散和抗静电性能。在建筑行业，色母粒可实现材料的耐久性、强度和耐候性，同时严格遵守建筑规范和法规的要求。以母料为基础生产塑料材料的关键优势之一是能够调整和微调母料的性能和成分，以获得满足特定要求的高度定制配方。这一点在电子行业、制药业和化妆品行业尤为重要，因为在这些行业中，安全性、客户期望值和美观度都起着至关重要的作用。

热塑性纳米复合材料

将石墨烯（和其他二维材料）纳米颗粒掺入聚合物基质是一种很有前途的方法，可进一步提高针对特定应用定制塑料材料特性的能力。原则上，通过制定合适的纳米复合材料合成工艺，可以改变机械、电气和热性能，以实现特定目标。影响性能增强的因素有很多，包括二维材料在基体中均匀分散的能力、加工技术、石墨烯纳米颗粒的取向及其在基体中的长宽比和负载量。此外，可用于提高一种性能的加工条件对其他性能来说可能并不理想。例如，对石墨烯纳米颗粒进行表面官能化处理通常会提高机械性能，但会降低纳米复合材料的电气性能。因此，仔细优化合成条件以获得具有所需性能的纳米复合材料非常重要。

石墨烯纳米复合材料的前景与挑战

尽管人们早已认识到二维石墨烯纳米复合材料的潜在优势，但在实现优化合成工艺的最佳途径以及将这些工艺扩大到工业生产的能力方面，仍然存在一些挑战。其中一个主要问题是如何获得足够数量的高质量石墨烯，以实现纳米复合材料的工业化生产。目前认为，最适合高效生产纳米复合材料的优质石墨烯是具有最大长宽比、纳米颗粒结构中碳层厚度为几层的材料。纳米粒子填料在聚合物基体中的分散应均匀一致，以防止形成聚集体，从而成为失效点。纳米颗粒与基体之间的结合也应牢固，以便在它们之间有效传递应力。此外，纳米颗粒不应出现皱纹、杂质或缺陷，以免影响其性能。对石墨烯进行化学功能化处理并加入相容剂以提高其分散性可用于促进纳米复合材料的形成，但缺点是需要使用过多的化学品和溶剂。

在实现优化合成工艺的最佳途径以及将这些工艺扩大到工业生产的能力方面，仍然存在一些挑战。

产学联合

为了帮助解决这些问题，并为大规模石墨烯纳米复合材料生产设计出一种可靠的方法，Colloids 公司与曼彻斯特大学和国家石墨烯研究所积极合作。该企业的目标是在曼彻斯特大学最先进的研究与产业之间建立联系。

该项目由 Colloids 公司领导，为期四至五年，旨在开发基于石墨烯和其他二维材料的纳米复合材料，并将其应用于包括聚烯烃、聚酰胺和聚酯在内的各种热塑性材料，同时了解机械、热、电、流变和气体阻隔性能（以及其他性能）如何受到生产工艺和所用材料的影响。除了曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所（NGI）之外，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（Sir Henry Royce Institute）的合作。与目前市场上的产品相比，该项目将提出、开发合成纳米复合材料的新工艺，并将其升级用于工业生产。

石墨烯作为一种 “神奇材料”，在技术领域（以及基础科学领域）的应用日益受到关注。石墨烯科学的下一个前沿领域将是如何将这种材料高效、可持续地用于大规模生产的日用产品。Colloids 发起的工作将为石墨烯材料作为日常用品和高性能材料在工业和家庭环境中的推广和使用做出重要贡献。

个人回应

哪些技术领域将从您与曼彻斯特大学的合作成果中获益最多？您预计石墨烯技术和产品在日常使用中普及的时间尺度是多少？

本研究项目的主要目标是开发和推广比目前市场上现有产品性能更强的纳米复合材料。从 Colloids 公司和曼彻斯特大学的合作成果中获益最多的主要市场和技术领域包括：汽车、航空航天、工业、电子、运输、包装、土木工程和农业市场领域。研究的目标成果将是 Colloids 公司对适用知识产权的所有权，但同时也会带来作为曼彻斯特大学公认的合作伙伴、提升内部技能、招聘技术人员等软性利益。

关于石墨烯技术和产品在日常应用中普及的时间尺度：有几种方法可以生产出具有良好性能的高质量石墨烯。但是，除了用于模型试样的研究目的外，这些方法还无法扩大规模，生产出足够大量的石墨烯，以用于纳米复合材料。这取决于市场在工业规模上生产高质量石墨烯的速度。很可能需要 5 到 15 年的时间，基于石墨烯的产品才能在日常使用中得到普及。