石墨烯/聚合物纳米复合材料的合成、表征及性能研究

论文摘要

石墨烯具有优良的力学性能、导电性能以及大的比表面积和优异的吸附性能等特性,在聚合物纳米复合材料材料领域有着广泛的应用价值。本文采用胶体絮凝的方法大规模制备在室温下可以稳定存在的完全剥离的氧化石墨烯（GO）固体,然后以氧化石墨烯为前驱体,采用不同的方法来制备聚合物基石墨烯纳米复合材料,并对复合材料的性能进行了一系列的研究。主要工作如下：（1）氧化石墨烯固体的大规模制备。以天然石墨为原料,通过Staudenmaier氧化法制备氧化石墨烯胶体溶液。然后选用各种电解质（氯化钾、氢氧化钠、碘化钾、硫酸钠等）来絮凝氧化石墨烯,结果发现氢氧化钠的絮凝效果最好；当其浓度为0.3mol/L时,开始出现絮凝,并且浓度越大,絮凝现象越明显。最后将絮凝物纯化、干燥后得到氧化石墨烯固体,将该固体分散在去离子水中并超声分散后又可以形成亮黄色透明溶液。透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及X射线衍射（XRD）证明了大量厚度为0.8nm左右的结构完整的单层氧化石墨烯的存在。液态13C核磁和红外光谱（FTIR）证明了氧化石墨烯上羟基、羧基和环氧基等含氧功能基团的存在。同时我们以氨水和水合肼为还原剂将氧化石墨烯还原成石墨烯,并对石墨烯和氧化石墨烯的性质进行了比较。（2）石墨烯／低密度聚乙烯（LDPE）纳米复合材料的制备及性能研究。采用偶联剂-乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）来功能化修饰石墨烯,然后将其与LDPE共混,从而制备纳米复合材料。VTES功能化修饰石墨烯,可以降低其表面能,提高其与聚合物基体的亲和力,减少石墨烯片之间的团聚,从而改善石墨烯在聚合物基体中的分散性,同时提高复合材料的综合性能。结构表征证明了石墨烯片与VTES之间是共价连接。SEM证明了VTES功能化修饰之后的石墨烯在LDPE中的分散性要好于未修饰的石墨烯。力学性能测试证明了,与纯的LDPE相比,加入少量功能化修饰之后的石墨烯,复合材料的力学性能得到了提高,其拉伸强度、杨氏模量以及断裂伸长率最大分别增加了27%,92.8和17.7%。同时我们对复合材料的溶剂渗透性进行了研究,发现其吸油率由56%降到了39%,说明石墨烯可以像粘土和蒙脱土一样作为阻隔材料。（3）石墨烯／聚乙烯醇（PVA）纳米复合材料的制备及性能研究。首先将氧化石墨烯与PVA的水溶液混合均匀,然后再用还原剂将氧化石墨烯还原成石墨烯,最后采用真空干燥成膜的方法成功制备了石墨烯增强的PVA纳米复合薄膜。研究发现当石墨烯的含量为0.5%时,复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率分别增加了212%和34%。同时我们通过吸水性测试和接触角对复合薄膜的耐水性能进行了研究,结果发现加入少量石墨烯后,与纯PVA薄膜相比,复合薄膜的吸水率由105.2%降低到了48%,表面接触角由36°增加到了97°,这说明复合材料的表面由亲水性变成了疏水性,石墨烯的加入极大地提高了PVA材料的耐水性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 石墨烯介绍
• 1.2.1 石墨烯及其氧化物的结构
• 1.2.2 石墨烯的性能
• 1.2.2.1 力学性能
• 1.2.2.2 电子学性能
• 1.2.2.3 热学性能
• 1.2.3 石墨烯的制备
• 1.2.3.1 微机械剥离法
• 1.2.3.2 碳化硅表面外延法
• 1.2.3.3 化学气相沉积法
• 1.2.3.4 氧化石墨-还原法
• 1.2.3.5 其他方法
• 1.3 聚合物基石墨烯复合材料
• 1.3.1 石墨烯复合材料简介
• 1.3.2 聚合物基石墨烯复合材料的制备方法
• 1.3.2.1 液相共混复合
• 1.3.2.2 熔融共混法
• 1.3.2.3 原位聚合法
• 1.3.2.4 其他方法
• 1.3.3 聚合物基石墨烯复合材料的性能及应用
• 1.3.3.1 电学性能
• 1.3.3.2 力学性能
• 1.3.3.3 热力学性能
• 1.3.3.4 气体渗透性能
• 1.4 课题研究内容和意义
• 参考文献
• 第二章 氧化石墨烯和石墨烯的制备及表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要原料和试剂
• 2.2.2 主要制备及分析表征仪器
• 2.2.3 反应装置图
• 2.2.4 合成原理及路线
• 2.2.4.1 氧化石墨烯的合成原理示意图
• 2.2.4.2 氧化石墨烯的合成方法及其示意图
• 2.2.4.3 石墨烯的合成方法
• 2.3 产物结果表征
• 2.3.1 氧化石墨烯和石墨烯的化学结构表征
• 2.3.2 氧化石墨烯和石墨烯的热稳定性表征
• 2.3.3 氧化石墨烯和石墨烯的形貌表征
• 2.3.4 氧化石墨烯和石墨烯的导电性表征
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 FTIR光谱表征及分析
• 2.4.2 核磁光谱表征及分析
• 2.4.3 拉曼光谱的表征及分析
• 2.4.4 XRD表征及分析
• 2.4.5 TGA表征及分析
• 2.4.6 形貌表征及分析
• 2.4.7 导电率表征及分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 硅烷偶联剂修饰的石墨烯/低密度聚乙烯纳米复合材料的制备及其表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要原料和试剂
• 3.2.2 主要制备及分析表征仪器
• 3.2.3 合成路线
• 3.2.4 实验方法
• 3.2.4.1 氧化石墨烯及石墨烯的合成
• 3.2.4.2 功能化修饰的石墨烯的合成
• 3.2.4.3 聚合物纳米复合材料的制备
• 3.2.4.4 测试样条的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 FTIR光谱表征及分析
• 3.3.2 TGA表征及分析
• 3.3.3 TEM和EDX表征及分析
• 3.3.4 AFM表征及分析
• 3.3.5 SEM表征及分析
• 3.3.6 力学性能表征及分析
• 3.3.7 渗透性表征及分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 液相共混法制备具有增强力学性能和耐水性能的石墨烯/聚乙烯醇纳米复合材料
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要原料和试剂
• 4.2.2 主要制备及分析表征仪器
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.3.1 氧化石墨烯及石墨烯合成
• 4.2.3.2 制备氧化石墨烯/PVA纳米复合薄膜
• 4.2.3.3 制备石墨烯/PVA纳米复合薄膜
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 分散性表征及分析
• 4.3.2 FTIR表征及分析
• 4.3.3 XRD表征及分析
• 4.3.4 TGA表征及分析
• 4.3.5 DMTA表征及分析
• 4.3.6 力学性能表征及分析
• 4.3.7 耐水性能及接触角表征及分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 总结
• 硕士阶段发表的论文及专利
• 致谢