墨晶体和在聚合物基质中的石墨到石墨烯 纳米颗粒的增强剥离，但是，剪切过程不应该是降解聚合物的时间段。
[0067] 随着石墨烯纳米颗粒的密度在多个循环挤出期间增大，聚合物基质的粘度由于越 来越多的聚合物/石墨烯界面的影响而增加。为确保复合材料结构的持续精制，对挤出参 数进行调整以补偿所述复合材料的更高粘度。
[0068] 具有如美国专利号6, 962, 431中描述的混合元件并且配备再循环流以引导流动 回到挤出机输入口的自动挤出系统是可用的，以使复合材料经受所期望的尽可能多的循 环。由于石墨烯补强的PMC的加工是直接的并且不涉及石墨烯颗粒的处理，因此制造成本 低。
[0069] 为了将石墨机械剥离成多层石墨烯和/或石墨烯，在加工过程中在聚合物中产生 的剪切应变速率必须在石墨颗粒中引起剪切应力，该所引起的剪切应力大于分离两层石墨 所需的临界应力或层间剪切强度（ISS)。在聚合物中的剪切应变速率受控于聚合物的类型 和加工参数（包括混合器的几何结构、加工温度和每分钟转数（RPM))。
[0070] 由聚合物流变数据可确定一个具体的聚合物所需的加工温度和RPM，前提是在恒 定温度下剪切应变速率ζ 是线性依赖于RPM，如方程1所示。混合器的几何结构表示 为转子半径r，转子和桶之间的空间Ar。
[0071] 方程 1
[0073] 针对一个具体聚合物在三个不同温度下收集的流变数据提供log剪切应力对log 剪切应变速率的图，如图2所示。石墨的ISS在0. 2MPa至7GPa之间变化，但是新方法已量 化所述ISS为0. 14GPa。因此，为了在加工期间机械剥离聚合物基质中的石墨，从图2可确 定具体聚合物所需的加工温度、剪切应变速率和RPM，从而使得聚合物中的剪切应力等于或 大于石墨的ISS。在通常的加工条件下，聚合物具有足够表面能以表现得像透明胶带的粘性 面，因此能够在聚合物熔体和石墨颗粒之间共享剪切应力。
[0074] 在一个实施方式中，用于形成G-PMC的方法包括将石墨微颗粒分配到熔融的热塑 性聚合物相中。然后向熔融聚合物相施加一连串的剪切应变过程，以使所述熔融聚合物相 随着每个过程连续地剥离石墨，直到至少50%的所述石墨被剥离以在所述熔融聚合物相中 形成在c轴方向上厚度小于50纳米的单层和多层石墨烯纳米颗粒的分布。
[0075] 在某些实施方式中，可以通过将含有石墨的矿物质粉碎和研磨到毫米大小的尺寸 来制备石墨颗粒。可以通过使用球磨机和磨碎机将毫米大小的颗粒缩减至微米大小的尺 寸。
[0076] 在某些实施方式中，石墨颗粒可以通过浮选法从微米大小的颗粒混合物提取。所 提取的石墨颗粒可以通过使用具有轴向槽纹延伸的混合元件或螺旋槽纹延伸的混合元件 的单螺杆挤出机掺入到聚合物基质中。含有石墨的聚合物基质经受如本文所述的重复挤出 以诱导石墨材料的剥离，从而形成石墨烯纳米颗粒在聚合物基质中的均匀分散体。
[0077] 在其它实施方式中，剪切应变过程可以被连续地施加，直到至少50 %的石墨被剥 离以在熔融聚合物相中形成在c轴方向上厚度小于10纳米的单层和多层石墨烯纳米颗粒 的分布。
[0078] 在其它实施方式中，剪切应变过程可以被连续地施加，直到至少90 %的石墨被剥 离以在熔融聚合物相中形成在c轴方向的厚度小于10纳米的单层和多层石墨烯纳米颗粒 的分布。
[0079] 在其它实施方式中，剪切应变过程可以被连续地施加，直到至少80 %的石墨被剥 离以在熔融聚合物相中形成在c轴方向的厚度上小于10纳米的单层和多层石墨烯纳米颗 粒的分布。
[0080] 在其它实施方式中，剪切应变过程可以被连续地施加，直到至少75%的石墨被剥 离以在熔融聚合物相中形成在c轴方向的厚度上小于10纳米的单层和多层石墨烯纳米颗 粒的分布。
[0081] 在其它实施方式中，剪切应变过程可以被连续地施加，直到至少70%的石墨被剥 离以在熔融聚合物相中形成在c轴方向的厚度上小于10纳米的单层和多层石墨烯纳米颗 粒的分布。
[0082] 在其它实施方式中，剪切应变过程可以被连续地施加，直到至少60%的石墨被剥 离以在熔融聚合物相中形成在c轴方向的厚度上小于10纳米的单层和多层石墨烯纳米颗 粒的分布。
[0083] 在其它实施方式中，石墨可以掺杂其它元素以将剥离的石墨烯纳米颗粒的表面化 学改性。石墨是膨胀石墨。
[0084] 在其它实施方式中，分散石墨的表面化学或纳米结构可以被改性，从而增强与聚 合物基质的粘结强度以提高石墨烯复合材料的强度和刚度。
[0085] 在其它实施方式中，使用定向排列的石墨烯纳米颗粒以获得聚合物基质相的一 维、二维或三维补强。 实施例
[0086] 通过下面的实例进一步说明本发明，其不应该以任何方式被解释为限制性的。虽 然已说明和描述一些实施方式，但是应当理解的是，可以根据本领域的普通技术知识在不 偏离本发明的情况下在更广方面做出变化和修改，如下述权利要书所定义的。
[0087] 在一个实施方式中，使用具有IOg容量的小规模扩展混合器以在332°C (630° F) 混配2%的SMG和Udel P-1700聚砜（PSU)，并在真空下保持3、30和90分钟。方法如下所 述。每个时间段后收集的用于表征的样品被称为3G-PMC、30G-PMC、90G-PMC。
[0088] 1.将9. 8g PSU加入混合器，并使其熔融。
[0089] 2.将0· 2g SMG加入到熔融的PSU并混合。
[0090] 3.混合3分钟后，将3g G-PMC挤出混合器并收集，以用于表征。
[0091] 4.将3g在PSU中的2 %的SMG加至混合器并混合。
[0092] 5.混合30分钟后，将3g G-PMC挤出混合器并收集，以用于表征。
[0093] 6.将3g在PSU中的2 %的SMG加至混合器并混合。
[0094] 7.混合90分钟后，将3g G-PMC挤出混合器并收集，以用于表征。
[0095] 形杰分析
[0096] 使用具有Oxford EDS的Zeiss Sigma场发射扫描电子显微镜（Zeiss Sigma Field Emission Scanning Electron Microscope) (FESEM)来测定石墨机械剥离成多层石墨稀或 石墨烯纳米颗粒的程度以及这些颗粒的厚度。在观察期间使用3kV的加速电压和约8. 5_ 的工作距离。观察前，将来自3G-PMC、30G-PMC和90G-PMC的每个样品的试样切口（notch) 并低温断裂以产生平坦的断裂面，置于真空下至少24小时，镀金，并在真空下储存。
[0097] X-射线衍射分析（XRD)
[0098] 对3G-PMC、30G-PMC和90G-PMC中的每个样品进行的XRD分析包括四个步骤：（1) 样品制备，（2)取得衍射图，（3)图形拟合，和（4)根据Debye-Scher rer方程进行平面外（D) 微晶尺寸计算。
[0099] 1.通过在5, 500psi和230 °C下在2分钟的时间段内压制3G-PMC、30G-PMC和 90G-PMC的每个样品的薄膜制备XRD分析样品。使用具有加热板的Carver Uniaxial Press 进行压制之前将每个样品定位在铝片之间。
[0100] 2.使用Philips XPert粉末衍射仪在40kV和45mA下取得压制膜的衍射图，该粉 末衍射仪具有样品转换器（Xpert)，且4°到70°的2 Θ范围的入射狭缝厚度为〇. 3mm，以 及步长为0.022 Θ。
[0101] 3.衍射图上传到WinPLOTR粉末衍射图形工具，在峰拟合之前没有编辑背景或调 整图谱（profile adjustment)。使用伪-Voigt 函数并考虑全 FWHM、全 eta (global eta) (Lorentz比例）和线性背景在26° -27.5°的2 Θ范围内进行单峰拟合。图谱的单峰拟合 提供相关峰的半高全宽（full width at half maximum) (FWHM) 〇
[0102] 4.使用Debye-Scherrer方程和（002)的FWHM值计算平均的平面外Φ)微晶尺 寸（有时也称为沿c轴，并正比于其堆叠的石墨烯层数），其中λ为X射线波长，系数K = 0.89, β是以弧度表示的FWHM，并且Θ为衍射角。也计算了 d-间距。
[0103] 方程 2
[0105] 形杰学结果
[0106] 图3中示出3G-PMC、30G-PMC和90G-PMC的每个样品在三个不同缩放比例（放大 倍率）下的形态。在（a-c)中，20 μπι缩放比例和1，000倍的放大倍率显示在每个混合时 间下多层石墨烯或石墨烯在PSU基质内的良好分布。在（d-f)中，Ιμπι缩放比例和10, 000 倍的放大倍率以及在（g-i)中Iym缩放比例和50, 000倍的放大倍率显示PSU基质内机械 剥离的石墨。在（d-i)中，微折叠的多层石墨稀或石墨稀以及石墨稀纳米颗粒和聚合物基 质之间的良好粘结很明显。
[0107] 混合时间最长和暴露于最多重复剪切的90G-PMC样品展现出优异的机械剥离和 最小的晶体尺寸。如图4所示，机械剥离将90G-PMC样品中的石墨烯纳米颗粒厚度缩减至 8. 29nm。
[0108] X射线衍射结果