国外科研人员探讨如何使用石墨烯增强木塑复合材料

自 20世纪90年代以来，木塑复合材料（Wood-plastic composites）和天然纤维增强复合材料（natural-fibre-reinforced composites）已取代了木板和金属等材料用于建筑行业。

在最近的研究中，碳纳米管和石墨烯被用来提高它们的性能，并促进它们在更广泛的工程领域的潜在应用。近期发表了《Polymer》期刊上的一篇文章开展了最新的研究。

( a ) 石墨烯、( b ) 氧化石墨烯、( c ) 还原氧化石墨烯、( d ) 单壁碳纳米管 ( e ) 多壁碳纳米管和 ( f ) 功能化碳纳米管的结构

木塑复合材料

木塑复合材料由 50%木粉（重量比）和热塑性聚合物（如聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯）组成。此外，它们还含有少量添加剂如偶联剂和染料。复合材料中的木材具有高强度，而聚合物具有疏水性。它们通常用于建筑，可以通过定制其性能特征来设计用于特定任务。

木塑复合材料的优点包括使用寿命长、易于维护和增强的耐用性。由于按重量计聚合物含量大，它们可以很容易地成型加工为特定的复杂形状，并且可以使用普通的木材成型工具进一步成型。此外，木材含量和使用再生聚合物的潜力赋予可持续性优势，符合循环经济的概念。

然而，木质聚合物复合材料（wood-polymer composites，WPC）也具有一些缺点，比如它们的机械性能可能比某些材料（如原木）差，因为它们由聚合物基体较大比重决定的，这使复合材料的机械性能更接近聚合物的机械性能。此外，它们可能容易受到环境退化的影响，例如水分、温度、光、机械应力和微生物。这会影响复合材料的机械强度及其美学性能。

天然纤维增强复合材料

尽管木质聚合物复合材料有缺点，但它们的优势和已经广泛使用的优点有利于研究发展。最近的研究已扩展到天然纤维增强复合材料的制造，这些复合材料由其他富含纤维素的材料组成，这些材料来自植物壳、竹子和用作填料碾碎的稻草等。

由于近年来对天然纤维增强复合材料的研究兴趣扩大，木质聚合物混凝土有时被归类为一个亚类。这些复合材料没有像木质聚合物复合材料那样广泛应用，因为目前发现它们的性能不太令人满意。然而，该领域的最新研究令人鼓舞。

用碳纳米材料提高复合材料的性能

最近的研究集中在改善机械性能、应用范围、利用新型基质类型和开发新的制造工艺上。一个值得注意的研究领域是使用碳纳米材料（如碳纳米管和石墨烯， carbon nanomaterials，CNM）来丰富这些复合材料。

碳纳米管和石墨烯是碳的纳米同素异形体，其原子结构赋予这些纳米材料卓越的机械强度、刚度、导热性和导电性。此外，这些纳米材料具有超疏水性、重量轻且耐化学性，而且它们环境友好的，因为它们可以由 CO2和甲烷生产，这两者都是典型的温室气体。

生产 CNM 增强 WPC 时使用的各种工艺方案。( A ) 使用 CNM 粉末进行压缩/注射成型，( B ) 使用 CNM 母料进行压缩成型，( C ) 选择性激光烧结，( D ) 使用涂有 CNM 悬浮液的木粉进行压缩成型/高温固化。

事实上，石墨烯和碳纳米管的第一个主要商业应用是在聚合物复合材料中。自发现以来，它们已被用于传感器、电磁屏蔽、超级电容器和轻质强韧建筑材料等产品的复合材料中。这两种碳纳米材料都增强了复合材料的热稳定性和机械性能等，降低了可燃性，并将导热性和导电性引入材料。

最新进展

这项新研究对富含碳纳米材料的木质聚合物复合材料和天然纤维增强复合材料进行了全面的综述，探索了碳纳米材料可能改善复合材料性能的方法，并分析了可能影响其性能的因素。

迄今为止，研究人员已经研究的性能包括机械性能、热稳定性、可燃性、光稳定性、吸水性和膨胀厚度、发泡效率、热性能和电性能。这些特性已在文献综述中进行了深入探讨。作者还展示了通过将碳纳米管和石墨烯作为混合复合材料中的填充材料而实现的新颖创新应用示例。

此外，作者提出使用富含碳纳米管的木质聚合物复合材料作为弯曲、温度和水的传感器，据悉这些材料尚未针对这些应用进行评估。最后，该研究确定了成本等实际考虑因素，列出了该领域的主要挑战，并确定了未来的研究方向。

目前的研究表明，这些材料具有成本效益，有助于它们的商业应用。然而，如果它们要广泛用于商业用途，还需要进一步研究如何控制它们的特性。