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成果简介
生产高质量石墨烯和聚合物/石墨烯纳米复合材料面临着工艺复杂、效率低、资源浪费严重的问题。探索一种高效、低成本的新制造方法对于解决这些技术问题至关重要，这成为当前的研究热点，也是一个巨大的挑战。本文，华南理工大学瞿金平院士团队在《Small》期刊发表名为“Ultrafast Fabrication of Graphene-Reinforced Nanocomposites via Synergy of Steam Explosion and Alternating Convergent-Divergent Flow”的论文，研究创新开发了一种基于蒸汽爆炸和交替收敛-发散流协同作用的一步熔体混合策略，使用工业级膨胀石墨 (EG) 制造高密度聚乙烯 (HDPE)/石墨烯纳米复合材料，无需化学试剂和复杂的程序。
伸长熔体产生的外力和蒸汽爆炸产生的内力的共同作用使 EG 超快剥离成少层石墨烯纳米片 (GNS)，同时在 4 分钟内分散在熔体中。所生产的 GNS 具有超过 5 µm 的横向尺寸和 1.4 nm 的最小厚度，可以为 HDPE 大分子引入超异质成核，并大大提高纳米复合材料的结晶度高达 86.5%。此外，大量的 HDPE 微晶和分散良好的 GNS 共同形成了改进的导热网络，使纳米复合材料在太阳能热转换和散热方面具有快速响应能力。这种简便的策略将促进高性能石墨烯和高填充纳米复合材料的可扩展生产和广泛应用的发展。
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图文导读
图1、使用 SEACDF 方法超快制造 HDPE/EG 纳米复合材料。
图2、a) 使用 SEACDF 方法对 EG 剥离和分散的示意图。b) 剥离过程中的机理和力分析。
图3、(a-h) HDPE/EG 复合材料低温断裂表面的 SEM 图像：a) VE-2, b) VE-4, c) VE-6, d) VE-8, e) VEW-2, f) VEW-4、g) VEW-6 和 h) VEW-8。(i-k) 含 8 wt% EG 的复合材料的 TEM 图像：i) BE-8-16min，j) VE-8，和 k) VEW-8。l) 不同样品的XRD图谱。
图4、(a-e) 剥落的 EG 的 SEM 图像：a) BE-8, b) BEW-8, c) BE-8-16min, d) VE-8 和 e) VEW-8。f) 剥离的 EG 的拉曼光谱。g) 在 50% 酒精溶液中放置不同时间的剥离 EG 分散体照片：#1-VEW-8、#2-VE-8、#3-BE-8、#4-BE-8-8 分钟、#5 -BE-8-16 分钟。
图5、结晶行为：a) DSC 加热曲线；b) 结晶度增加；c) XRD图谱；d) 等温结晶的 POM 图像。
图6、a) 热导率。b) 传热机制。c) 自行设计的中心点加热测试系统示意图。d) 通过跟踪选定温度获得的表面温度演变：40、45、50 和 55 °C。e) 标记点的实时温度曲线：A、B、C、D。
图7、(a-c) 太阳能到热能的转换：a) 128 s 阳光下的 IR 热图像；b) 128 s 时的表面温度分布直方图；c) 在阳光下，最大表面温度随时间的变化。(d-f) 智能手机上的散热测量：d) P01 和 P02 点随时间的温度变化；e) 表面温度随时间变化的红外热图像；f) 190 秒时区域 A 和 B 的表面温度分布直方图。
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小结
总之，我们巧妙地将蒸汽爆炸与交替收敛-发散流相结合，从而开发了一种简便、可扩展的策略，用于在聚合物熔体中同时剥离和分散工业级 EG。这种纳米复合材料在太阳能利用和热管理材料方面显示出大规模的应用潜力。SEACDF方法在石墨烯制备和分散方面的效果和效率明显优于其他传统方法。因此，SEACDF策略可以提供一种更具前景的途径，从二维层状晶体（包括石墨、BN、MoS2和MXene）制备高质量的纳米片。同时，这也将极大地促进超高含量填料掺杂高性能功能纳米复合材料的可扩展制备和广泛应用。
文献：
https://doi.org/10.1002/smll.202100017
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