关于石墨烯改性抗静电材料的研究进展
发布人：管理员 发布时间：2025-06-01 浏览次数：24随着经济的发展，石油煤炭的资源开发和运输成为了我国的支柱产业，但开采和运输过程中伴随的静电现象成为了严重的安全隐患。材料之间摩擦产生的静电，往往由于运载管道或器材为绝缘的高分子材料，因此静电无法泄漏，经过长时间的累积，容易产生高负荷的静电压，造成明显的放电现象，严重时可能导致煤矿井等设备的Bao炸。因此，抗静电技术的开发成为了全球关注的热点，通过添加抗静电剂的方式成为了重要解决措施。
自从2004年至今，石墨烯已广泛应用于可穿戴设备、新能源汽车、橡胶、健康医疗等领域。石墨烯材料不仅密度低、强度高，而且具有优异的导热导电性能，因此成为了未来先进纳米材料的发展方向。本文通过以石墨烯或氧化石墨作为抗静电剂，讨论了在不同改性高分子领域中的应用和现状，论述其今后的发展方向。
一、石墨烯材料与氧化石墨烯
石墨烯通常指的是单层或者寡层的石墨薄片，其结构与石墨类似，为二维的蜂窝状六角晶体结构。由于石墨烯中只有键长为0.142nm的C-C共价键，结构稳定且具有优良的柔韧性，因此，使得石墨烯具有质轻、高轻度，良好的导电和导热性能，透光性好和热稳定性好等特点。但是石墨烯为非极性材料，不仅不能分散于水中，而且与极性材料相容性差。因此，目前通常采用氧化还原的方法，制备出具有良好水溶性的氧化石墨烯，虽然与石墨烯相比，氧化石墨烯的π-π结构部分发生的反应，降低其导电性能，但较大的比表面积、强度和导热性能仍促进了氧化石墨烯在高分子改性领域的应用。
二、石墨烯改性塑料材料
(一)石墨烯改性的聚氯乙烯材料
聚氯乙烯(PVC)材料由于其良好的耐性、耐腐蚀性、阻隔性和阻燃性，广泛应用于煤炭、石化和液体化学品等物质的开采和管道输送中。但PVC材料表面电阻高达10¹⁴-10¹⁷Ω，容易产生静电危害。目前常用的导电填料，如炭黑和其他化学抗静电剂，均对PVC性能影响较大。因此付世创等[1]通过添加3份石墨烯和1份PE蜡制备表面电阻低至10⁶Ω，拉伸强度高达55MPa的PVC管材。把非极性分散剂添加到PVC材料当中，可有效降低与石墨烯材料之间的界面能，达到更好的分散效果，在熔融过程中避免石墨烯发生团聚的问题。其中PE蜡因含有非极性亚甲基链，与石墨烯有较好相容性，对其分散性能有较好的改善，同时在熔融共混过程中，解决石墨烯材料产生团聚的问题。经石墨烯改性后的PVC材料，不仅改善了PVC的塑化性能，而且可用于耐高压的供排水管、正负压风管以及排放瓦斯管等领域。
(二)石墨烯改性的聚烯烃材料
与PVC材料相似，聚烯烃同样具有较高的体积电导率，一般高达10¹⁶-10¹⁸Ω·m，属于绝缘材料。但由于聚烯烃材料具有良好的耐水性、耐化学性和力学性能，广泛应用于日常生活的产品中，如薄膜、管材和板材等。有研究表面添加25份抗静电剂，以及相容剂改性可制得表面电阻率达2.2x10⁹Ω的PP材料。与常规抗静电剂相比，碳系抗静电剂包括炭黑、石墨、碳纤维和石墨烯，不仅有效地改善其抗静电性能，而且对聚烯烃基材有良好的增强作用，同时具有密度低、物理性能稳定等特点。
(三)石墨烯改性的尼龙材料
与通用塑料相比，工程塑料具有高强度、密度小和耐腐蚀性优点，已逐步替代传统金属材料。但随着环保要求的日前提高，与石油基材料相比，生物基聚酰胺类材料PA610，PA612和PA1010等也得到更多重视。其中以PA612为例，其表面电阻率为10¹⁴Ω。余进娟等[2]通过添加不同的碳系抗静电，PA612的影响，同样添加量为5%，导电炭黑改性的PA612表面电阻率无变化，仍为10¹⁴Ω，石墨烯改性的PA612表面电阻率为10⁸Ω，而碳纳米管改性的PA612表面电阻率达到10⁷Ω。实验证明，石墨和碳纳米管在尼龙材料上具有更好的抗静电改性效果，虽然石墨烯改性的PA612材料表面电阻比碳纳米管改性的高一个数量级，但结合成本计算，石墨烯尼龙改性材料在未来更具有发展前景。
三、石墨烯改性涂层材料
除了在塑料改性方面，石墨烯改性技术也常用于涂料改性，目前主要应用于聚氨酯涂层中。但随着石化化工资源的日益减少，天然可再生的生漆/桐油涂料是一个更好的替代产品。生漆-桐油不仅具有良好的机械防腐蚀性能，而且在我国种植面积广，产量较大，有广泛的应用领域。但生漆/桐油涂料本身不导电，因此外添加抗静电剂可有效地改善这一问题。万长鑫[3]等对比了不同碳系抗静电剂的结果，表面采用0.6%石墨烯填充的生漆/桐油复合涂层材料，表面电阻由10¹⁴Ω降低至10⁷Ω，同时提高了涂层的耐冲击性和柔韧性，而且改善了其附着性能。与传统的炭黑、石墨等碳系抗静电剂相比，石墨烯的添加量仅为上述助剂的5-10%，因此随着石墨烯产业化的快速发展，生产成本的逐步降低，石墨烯有可能成为进口抗静电填料的重要发展方向。
四、结论
综上所述，在塑料或涂层材料中外添加抗静电剂的方法不仅制备工艺简便，而且适应性广，材料电阻可调范围大，日益受国内外研究人员的重视，随着石墨烯、碳纳米管等新型抗静电剂的应用，进一步推进了石墨烯改性技术在防静电功能上的发展。虽然目前石墨烯材料成本仍比较高，但随着石墨烯改性和表面修饰技术日益成熟，生产能力逐步提高，而且更低的添加量，也有利于环保型抗静电改性/复合材料的快速发展。
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