مکانیسم‌های بهبود استحکام:

1- تقویت مکانیکی (Mechanical Reinforcement):

• گرافن دارای مدول یانگ بسیار بالا (~1 TPa) و استحکام کششی فوق‌العاده (~130 GPa) است.
• هنگامی که به‌صورت یکنواخت در ماتریس PVC پخش شود، تنش وارد بر پلیمر را جذب و توزیع می‌کند، و مانع از رشد ترک می‌شود.

2- افزایش چسبندگی بین‌فازی (Interfacial Adhesion):

• گروه‌های عاملی روی اکسید گرافن (GO) می‌توانند با زنجیرهای PVC پیوند برقرار کنند (از طریق پیوند هیدروژنی یا وان‌دروالسی)، که باعث انتقال بهتر تنش بین فاز گرافن و ماتریس می‌شود.

3- ممانعت از حرکت زنجیرهای پلیمری:

• لایه‌های گرافن به‌صورت مانع فیزیکی عمل کرده و حرکت زنجیره‌های پلیمری را محدود می‌کنند، در نتیجه مدول و سفتی (stiffness) افزایش می‌یابد.

اثر بر خواص مکانیکی:

این بهبود به شدت وابسته به روش پخش (Dispersion) و سازگاری سطحی گرافن در PVC است.

روش‌های ترکیب گرافن با PVC

1. مخلوط‌سازی مذاب (Melt Mixing)
2. پلیمریزاسیون درجا (In-situ polymerization)
3. آماده‌سازی کامپوزیت محلولی (Solution casting)
4. اصلاح سطح گرافن با عامل‌های سازگارکننده (Compatibilizers) یا عامل‌دارسازی شیمیایی

مزایای افزودن گرافن به PVC

• افزایش استحکام کششی و مدول الاستیسیته
• بهبود پایداری حرارتی
• کاهش نفوذپذیری نسبت به گاز و رطوبت
• احتمال بهبود مقاومت شعله و خواص الکتریکی

چالش‌ها:

• تمایل گرافن به آگلومره شدن (کلوخه شدن)
• دشواری در توزیع یکنواخت در ماتریس PVC
• قیمت نسبتاً بالا نسبت به پرکننده‌های سنتی (مانند کربنات کلسیم)

منابع پژوهشی کلیدی:

1. "Graphene-reinforced polyvinyl chloride nanocomposites: Mechanical and thermal properties", Composites Part B: Engineering, 2021
2. "Enhancement of mechanical and barrier properties of PVC by graphene oxide", Polymer Composites, 2020