聚（氨酯—乙烯基咪唑）共聚物/石墨烯纳米复合材料的制备

论文摘要

石墨烯是目前世界上最薄最硬的二维蜂窝状结构碳质材料，其优异的电学性、机械性以及导热性，在物理和化学研究领域均引起了轰动，其中聚合物基的纳米复合材料是研究热点之一。本论文对聚氨酯/石墨烯纳米复合材料展开研究，其中提高纳米石墨烯在聚氨酯（PU）基体中的分散性是成功的关键。首先，我们合成了双键封端型聚氨酯低聚物，然后利用自由基共聚合成了聚氨酯与1-乙烯基咪唑单体的共聚物。该共聚物的结构和力学、热学性能被系统地分析表征。红外光谱（FTIR）研究表明：随着1-乙烯基咪唑含量的增加，共聚物中聚氨酯软段的Tg会相应地下降；动态力学性能分析（DMA）和拉力测试结果表明：共聚物的模量、拉伸强度和断裂伸长都有不同程度的提高。我们还通过化学还原氧化石墨烯法制备了单层石墨烯，得到尺寸稳定的石墨烯，并考察了其在DMF、1-乙烯基咪唑和上述混合液中室温下的稳定性。实验证明：利用咪唑环与石墨烯间产生的“π-π”非共价键相互作用力，能够提高石墨烯的分散性。在此基础上，单层石墨烯被分散在1-乙烯基咪唑中，与双建封端型聚氨酯预聚物相混合，在过氧化苯甲酰（BPO）的引发下，原位聚合得到聚（氨酯-乙烯基咪唑）共聚物/石墨烯纳米复合材料。对该复合材料的表征结果表明：石墨烯在聚氨酯基体材料中均匀分散；复合材料的拉伸强度、模量和热稳定性能均得到提高；另外，石墨烯的加入改变了复合材料的电学性能，加入0.5wt.%的石墨烯即可使体积电阻率降级1个数量级。这表明，该材料可作为新型功能材料在导电材料领域有潜在的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 石墨烯
• 1.2.1 石墨烯概述
• 1.2.2 石墨烯的制备
• 1.2.2.1 微机械剥离法
• 1.2.2.2 加热SiC 法
• 1.2.2.3 化学气相沉积法（CVD）
• 1.2.2.4 氧化石墨还原法
• 1.2.2.5 新工艺方法的探索
• 1.2.3 石墨烯的应用
• 1.2.3.1 纳米电子器件
• 1.2.3.2 锂电池材料
• 1.2.3.3 太阳能电池和染料电池
• 1.2.3.4 化学/生物传感器
• 1.3 聚合物/石墨烯纳米复合材料
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 石墨烯的功能化
• 1.3.2.1 共价键功能化
• 1.3.2.2 非共价键功能化
• 1.3.3 聚合物/石墨烯纳米复合材料研究
• 1.4 聚氨酯/石墨烯纳米复合材料
• 1.4.1 聚氨酯/无机纳米复合材料的制备
• 1.4.1.1 溶胶-凝胶法（Sol-Gel 法）
• 1.4.1.2 共混法
• 1.4.1.3 原位聚合法
• 1.4.2 聚氨酯/石墨烯纳米复合材料
• 1.5 论文的意义和主要内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 合成部分
• 2.2.1 双键封端型聚氨酯（HPU）合成
• 2.2.2 聚（氨酯-乙烯基咪唑）共聚物的制备
• 2.2.3 化学还原氧化石墨烯（CRGO）的制备
• 2.2.3.1 氧化石墨烯（GO）
• 2.2.3.2 还原氧化石墨烯（r-GO）
• 2.2.4 聚（氨酯-乙烯基咪唑）共聚物/石墨烯纳米复合材料的制备
• 2.3 结构表征和性能测试
• 2.3.1 傅立叶转变红外光谱（FTIR）分析
• 2.3.2 核磁共振（NMR）分析
• 2.3.3 原子力显微术（AFM）
• 2.3.4 扫描电子显微术（SEM）
• 2.3.5 热重分析仪（TGA）
• 2.3.6 差示扫描量热仪（DSC）
• 2.3.7 动态机械热分析（DMTA）
• 2.3.8 拉伸性能测试
• 2.3.9 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.10 电阻率分析
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 双键封端型聚氨酯（HPU）
• 3.1.1 核磁共振（1H NMR）分析
• 3.1.2 傅立叶转换红外光谱（FTIR）分析
• 3.2 聚（氨酯-乙烯基咪唑）共聚物
• 3.2.1 物理性质
• 3.2.2 红外光谱（FTIR）分析
• 3.2.3 相态分析
• 3.2.4 差热扫描（DSC）分析
• 3.2.5 动态机械（DMA）分析
• 3.2.6 力学性能分析
• 3.2.7 热稳定性（TGA）分析
• 3.3 石墨烯
• 3.3.1 氧化石墨烯（GO）
• 3.3.1.1 GO 的AFM 分析
• 3.3.1.2 GO 水溶液的丁达尔现象
• 3.3.2 石墨烯（CRGO）
• 3.3.2.1 CRGO 的AFM 分析
• 3.3.2.2 CRGO 与GO 的对比分析
• 3.4 聚（氨酯-乙烯基咪唑）共聚物/石墨烯纳米复合材料
• 3.4.1 石墨烯分散性的研究
• 3.4.2 复合材料的相态分析（AFM）
• 3.4.3 复合材料的断面形貌图（FESEM）
• 3.4.4 复合材料的差热扫描量热DSC 分析
• 3.4.5 复合材料的动态机械DMA 分析
• 3.4.6 复合材料的电性能分析
• 3.4.7 复合材料的力学能分析
• 3.4.8 复合材料的热稳定性分析（TGA）
• 第四章 全文总结
• 参考文献
• 附录: 甲苯-二正丁胺法测定聚氨酯预聚体中异氰酸酯含量
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的文章