原位法制备两种碳材料/聚酰亚胺纳米复合薄膜

论文摘要

碳纳米管和氧化石墨烯因其独特的结构和优异的物理化学性质,迅速成为化学、物理学、生物学及材料科学的研究热点,特别是其在聚合物基复合材料的增强体方面的应用。已在许多高新科技领域得到应用的功能高分子材料——聚酰亚胺,因自身缺点在实际应用中受到限制,需对其进一步改性。所以通过聚酰亚胺与碳纳米管、氧化石墨烯分别进行有机/无机纳米复合,也不失为进一步提高聚酰亚胺各项性能的有效手段,并对这两项复合结果进行表征并比较。本文分别通过原位聚合法制备羧酸化多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合薄膜（PI/MWNTs-COOH）和氧化石墨烯/聚酰亚胺纳米复合薄膜（PI/GO）.借助透射电镜（TEM）、红外光谱（FT-IR）、X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等现代表征手段对复合薄膜的结构进行表征；两种复合薄膜分别在差示扫描量热分析（DSC）、热稳定性（TGA）以及机械性能上进行比较并全面分析。本论文的主要研究工作如下：1、探讨合成高分子量聚酰胺酸的最佳合成条件。结果表明：原料先加二胺,后加二酐,且保持最佳摩尔比为1：1.02；以DMAc为溶剂,原料、溶剂中的含水量越少越好；以10%为最佳固含量；控制反应温度为0-5℃；在加入单体后的24h结束反应。这样制备的聚酰胺酸分子量达6万,满足复合薄膜成膜要求。薄膜采用程序升温,在100℃、200℃、250℃、300℃各恒温1h,其机械性能更高。2、先对多壁碳纳米管进行微波辅助液相氧化,再以修饰后的多壁碳纳米管（MWNTs-COOH）、醚二胺（ODA）和二酐（PMDA）为原料,DMAc为溶剂,通过原位聚合法制备PI/MWNTs-COOH纳米复合薄膜。性能测试结果表明：当MWNTs-COOH含量为5wt%时,PI/MWNTs-COOH纳米复合薄膜的玻璃化转变温度相对于PI薄膜从390.88℃提高到413.13℃（增加了22.25℃,5.69%）;当MWNTs-COOH含量为1wt%时,PI/MWNTs-COOH纳米复合薄膜在5%和10%处的热分解温度分别为563℃（增加了23℃,4.26%）和581℃（增加了6℃,1.04%）;当MWNTs-COOH含量为1wt%时,PI/MWNTs-COOH纳米复合薄膜的拉伸强度和杨氏模量分别提高了54.79MPa（57.32%）和771.79MPa（75.41%）。3、以氧化石墨烯、醚二胺（ODA）和醚二酐（PMDA）为原料,DMAc为溶剂,通过原位聚合法制备PI/GO纳米复合薄膜。性能测试结果表明：当GO含量为2wt%时,PI/GO纳米复合薄膜的玻璃化转变温度相对于PI薄膜从390.88℃提高到415.63℃（增加了24.75℃,6.33%）;当GO含量为1wt%时,PI/GO纳米复合薄膜在5%和10%处的热分解温度分别为570℃（增加了30℃,5.56%）和590℃（增加了15℃,2.61%）；当GO含量为1w%时,PI/GO纳米复合薄膜拉伸强度和杨氏模量分别提高了72.60MPa（75.95%）和927.30MPa（90.60%）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管简介
• 1.1.1 碳纳米管的发现、结构和分类
• 1.1.2 碳纳米管的制备及表面处理
• 1.1.3 碳纳米管的特性
• 1.1.3.1 碳纳米管的电磁性能
• 1.1.3.2 碳纳米管的力学性能
• 1.1.3.3 碳纳米管的热学性能
• 1.1.3.4 碳纳米管的光学性能
• 1.1.3.5 碳纳米管的微波吸收性能
• 1.1.4 碳纳米管/聚合物复合材料的研究进展
• 1.1.4.1 碳纳米管对聚合物复合材料电学性能的增强
• 1.1.4.2 碳纳米管对聚合物复合材料力学性能的增强
• 1.1.4.3 碳纳米管对聚合物复合材料热学性能的增强
• 1.1.4.4 碳纳米管对聚合物复合材料光学性能的增强
• 1.1.4.5 碳纳米管对聚合物复合材料微波吸收性能的增强
• 1.1.4.6 碳纳米管/聚合物复合材料的制备
• 1.2 氧化石墨烯的研究现状
• 1.2.0 氧化石墨烯的简要介绍
• 1.2.1 氧化石墨烯的结构和特性
• 1.2.2 氧化石墨烯的制备和改性
• 1.2.3 氧化石墨烯复合材料的研究进展
• 1.3 聚酰亚胺薄膜概述
• 1.3.1 聚酰亚胺薄膜简介
• 1.3.2 聚酰亚胺薄膜的制备
• 1.3.3 聚酰亚胺薄膜的性能
• 1.3.3.1 突出的耐热性能和优异的耐低温性能
• 1.3.3.2 良好的机械性能
• 1.3.3.3 良好的尺寸稳定性
• 1.3.3.4 良好的绝缘及介电性能
• 1.3.3.5 良好的耐辐射性能和阻燃性能
• 1.3.3.6 良好的化学稳定性
• 1.3.4 聚酰亚胺/无机纳米粒子复合材料
• 1.3.4.1 聚酰亚胺/银纳米复合材料
• 2纳米复合材料'>1.3.4.2 聚酰亚胺/SiO₂纳米复合材料
• 1.3.4.3 聚酰亚胺/AlN纳米复合材料
• 1.3.4.4 聚酰亚胺碳素类复合材料
• 1.4 本论文的选题思想
• 参考文献
• 第二章 聚酰胺酸合成工艺及其酰亚胺化研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂和原料
• 2.2.2 聚酰胺酸溶液的制备
• 2.2.3 聚酰胺酸溶液特性粘度的测定
• 2.2.4 聚酰胺酸薄膜的制备及其酰亚胺化过程
• 2.2.5 薄膜红外光谱测试
• 2.2.6 薄膜热学性能测试
• 2.2.7 薄膜机械性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 原料加料次序对聚酰胺酸特性粘度的影响
• 2.3.2 溶剂体系对聚酰胺酸特性粘度的影响
• 2.3.3 原料投料配比对聚酰胺酸特性粘度的影响
• 2.3.4 反应物总固含量对聚酰胺酸特性粘度的影响
• 2.3.5 反应温度对聚酰胺酸特性粘度的影响
• 2.3.6 反应时间对聚酰胺酸特性粘度的影响
• 2.3.7 聚酰胺酸及聚酰亚胺薄膜的红外光谱分析
• 2.3.8 聚酰胺酸及聚酰亚胺薄膜热学性能分析
• 2.3.9 聚酰胺酸及聚酰亚胺薄膜的机械性能分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 羧酸化多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合薄膜的原位法制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 主要原材料及处理
• 3.2.2 羧酸化多壁碳纳米管的制备
• 3.2.3 羧酸化多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合薄膜的制备
• 3.2.4 结构表征与性能测试
• 3.2.4.1 拉曼光谱测试（Raman）
• 3.2.4.2 透射电镜扫描（TEM）
• 3.2.4.3 红外光谱表征（FT-IR）
• 3.2.4.4 X-射线衍射测试（XRD）
• 3.2.4.5 宏观图片和扫描电镜（SEM）
• 3.2.4.6 差示扫描量热测试（DSC）
• 3.2.4.7 热稳定性测试（TGA）
• 3.2.4.8 机械性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 拉曼光谱分析（Raman）
• 3.3.2 透射电镜扫描分析（TEM）
• 3.3.3 红外光谱分析（FT-IR）
• 3.3.4 X-射线衍射分析（XRD）
• 3.3.5 宏观图片和扫描电镜分析（SEM）
• 3.3.6 差示扫描量热分析（DSC）
• 3.3.7 热失重分析（Tg）
• 3.3.8 机械性能分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 氧化石墨烯/聚酰亚胺纳米复合薄膜的原位法制备及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 主要原材料及处理
• 4.2.2 氧化石墨烯/聚酰亚胺薄膜纳米复合薄膜的制备
• 4.2.3 结构表征与性能测试
• 4.2.3.1 透射电镜扫描（TEM）及选区电子衍射（SAED）
• 4.2.3.2 红外光谱表征（FT-IR）
• 4.2.3.3 X-射线衍射测试（XRD）
• 4.2.3.4 宏观图片和扫描电镜（SEM）
• 4.3.2.5 差示扫描量热测试（DSC）
• 4.2.3.6 热稳定性测试（TGA）
• 4.3.2.7 机械性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 透射电镜扫描分析（TEM）
• 4.3.2 外光谱分析（FT-IR）
• 4.3.3 宏观图片和扫描电镜分析（SEM）
• 4.3.4 X-射线衍射分析（XRD）
• 4.3.5 差示扫描量热分析（DSC）
• 4.3.6 热稳定性分析（TGA）
• 4.3.7 机械性能分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 硕士阶段发表论文
• 致谢