山东大学《Carbon》： PVDF/PMMA/GNP纳米复合材料，具有良好的抗压机械性能、疏水性和阻燃性

成果简介

开发轻质、高性能的隔热聚合物泡沫对节能减排和提高能源效率具有重要意义。引入石墨纳米板（GNPs）等碳填料可有效减少泡沫的热辐射，并大大提高其机械和阻燃性能。然而，要实现聚合物/GNP 纳米复合材料轻质泡沫的生态友好和规模化生产，还面临一些技术挑战，包括 GNPs 分散性差和发泡比例较低。

本文，山东大学赵国群 教授等在《Carbon》期刊发表名为“A method for fabricating polyvinylidene fluoride/poly methyl methacrylate/graphite nanoplates nanocomposites foams with high strength, large expansion ratio and outstanding heat insulation properties”的论文，研究提出了一种通过熔融混合结合二氧化碳熔融发泡工艺制造轻质纳米复合泡沫的方法。利用这种方法，成功制备出了超轻、高强度、疏水性聚偏二氟乙烯（PVDF）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/GNP 纳米复合泡沫，具有优异的隔热和阻燃性能。

研究发现，GNP 的加入改善了 PVDF 的熔体粘弹性并提高了其初始结晶温度。此外，GNP 还能扩大发泡温度窗口，细化泡孔尺寸，并诱导泡沫形成开孔结构。用这种方法制造的纳米复合泡沫的发泡温度窗口超过 20 °C，发泡比超过 40，密度低于0.04 g/cm³。得益于较高的发泡比、发达的开孔结构以及 GNPs 的热辐射衰减效应，纳米复合泡沫的导热系数低至 30.14 mW m^-1K^-1。此外，泡沫还具有良好的压缩机械性能、疏水性和阻燃性。

图文导读

图1.PVDF/PMMA/GNP纳米复合材料泡沫的制备工艺

图2.PVDF/PMMA/GNP纳米复合材料的SEM照片

图4.PVDF/PMMA/GNP纳米复合材料的流变性能

图5.纳米复合材料的DSC结果

图6. (a) 水与泡沫接触角的照片，(b) 泡沫的接触角

图7. 纳米复合泡沫的 LOI 燃烧测试过程：（a）FAGF-0，（b）FAGF-2，（c）FAGF-5

小结

本研究开发了一种基于熔融共混和CO₂熔融发泡的创新方法，用于制造高性能隔热用 PVDF/PMMA/GNP 纳米复合泡沫。通过熔融共混，获得了均匀分散 GNP 的 PVDF/PMMA/GNP 纳米复合材料。GNP 的加入通过作为物理缠结节点增强了共混物的粘弹性。此外，作为 PVDF 结晶的成核剂，GNP 可提高初始结晶温度，促进晶核的形成和稳定性。但是，GNP 也会阻碍聚合物片段的运动，从而减少晶体生长，降低结晶度和结晶速率。随着 GNP 含量的增加，混合物的最大发泡比率降低，有效发泡窗口也随之减小并上移。幸运的是，最佳发泡温度提高了，这对缩短发泡时间和提高生产效率大有帮助。这些分别归因于 GNP 减小了电池尺寸和提高了 PVDF 的初始结晶温度。引入 GNP 有利于诱导混合泡沫中的开孔结构。GNP 可促进异质成核，从而提高细胞成核密度并细化细胞结构。由于 GNP 能有效衰减辐射传热，共混泡沫的隔热性能得到改善。热导率进一步降低到 30.14 mW m^-1K^-1。与混合泡沫相比，由于 GNP 加固了细胞骨架并细化了细胞尺寸，纳米复合泡沫的机械性能也得到了提高。此外，GNP 还通过其物理屏障效应和促进碳化作用提高了泡沫的热稳定性和阻燃性。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118967