基于石墨材料的聚乳酸和热塑性聚氨酯复合材料的制备及性能研究

论文摘要

本论文采用溶液共混浇铸成膜法和溶液共混-絮凝-熔融压片法,以实验室自制的氧化石墨和膨胀石墨为填料,分别制备了热塑性聚氨酯/石墨复合材料和聚乳酸/石墨复合材料,并对其结构形貌、力学性能、热学性能、结晶性能和电性能等做了详细研究。首先对填料进行改性处理,采用Hummers法制备氧化石墨,然后采用高温裂解还原法对制得的氧化石墨进行还原得到膨胀石墨。扫描电镜（SEM）结果显示,Hummers法成功制备氧化石墨层状纳米填料,呈褶皱扭曲状,平面尺寸在几百纳米到几个微米之间,片层厚度约几十纳米。红外（FT-IR）测试表明,氧化石墨带有羧基、羟基、环氧基等含氧基团;X射线衍射（XRD）分析表明氧化石墨具有较好的晶体结构,层间距较氧化前增大。膨胀石墨呈黑色絮状物,FT-IR和XRD分析表明,与氧化石墨相比,膨胀石墨表面含氧基团减少,恢复了原始石墨的大π共轭结构,具备了导电性能,可以直接用作导电纳米填料。采用溶液共混-絮凝-熔融压片的方法制备聚乳酸/石墨复合材料并对其形貌和性能进行研究。SEM和XRD结果表明,纯的聚乳酸断面光滑、平整;聚乳酸/氧化石墨复合材料断面粗糙,氧化石墨片层被聚乳酸基体包覆,分散性较好,没有聚集现象;膨胀石墨在聚乳酸基体中的分散性也较好,但复合材料的断面较平整。差示扫描量热法（DSC）分析表明,加入氧化石墨,聚乳酸复合材料的玻璃化转变温度有所提高,聚乳酸/氧化石墨复合材料出现冷结晶现象,结晶度降低;膨胀石墨在基体中起成核剂作用,复合材料结晶度增大。热失重（TGA）分析表明,随着氧化石墨含量增加,聚乳酸/氧化石墨复合材料的外延起始热降解温度（T5%）和降解最快温度（Tmax）都依次升高,膨胀石墨对聚乳酸热稳定性的改善效果与氧化石墨相当。力学性能测试表明,当氧化石墨含量小于1wt.%时,复合材料可以在保持材料扯断伸长率的同时增加拉伸强度。动态力学性能（DMA）测试表明,聚乳酸/氧化石墨复合材料的tan值增加幅度最大,说明氧化石墨和聚乳酸基体的结合性较好。采用溶液共混浇铸成膜法制备热塑性聚氨酯/石墨复合材料并对其形貌和性能进行研究。SEM和XRD结果表明,热塑性聚氨酯/氧化石墨复合材料中同时存在剥离结构和插层结构,氧化石墨呈片层结构分散于基体中;膨胀石墨在热塑性聚氨酯基体中分散较均匀,但复合材料断面出现微坑。静态拉伸试验表明,在0wt.%到5wt.%的填充量范围内,随着氧化石墨含量的增加,热塑性聚氨酯/氧化石墨复合材料的力学强度依次增加,扯断伸长率没有明显的降低。动态力学热性能谱仪（DMTS）分析表明,填充氧化石墨以后,热塑性聚氨酯复合材料的储能模量升高,并随着填充量的增加而升高显著;膨胀石墨可以大幅度提高热塑性聚氨酯复合材料的储能模量,但动态损耗数据表明填料与基体之间的结合力不如氧化石墨与热塑性聚氨酯基体之间的强。电学性能测试表明,热塑性聚氨酯/膨胀石墨复合材料的电性能在1wt.%到3wt.%填料量之间出现了突变,体积电阻率降低了6个数量级,而热塑性聚氨酯/氧化石墨复合材料导电性能与基体相差不大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 石墨材料概述
• 1.1.1 氧化石墨简介
• 1.1.2 氧化石墨的制备
• 1.1.3 氧化石墨的结构及性能
• 1.1.4 氧化石墨的功能化及表面改性
• 1.1.5 氧化石墨还原制备石墨烯
• 1.1.6 基于石墨烯的高分子复合材料
• 1.2 聚乳酸（PLA）简介
• 1.2.1 聚乳酸（PLA）的基本性质
• 1.2.2 聚乳酸（PLA）的特性
• 1.2.3 聚乳酸（PLA）的物理改性
• 1.2.3.1 聚乳酸与传统填料复合
• 1.2.3.2 聚乳酸复合材料研究新进展
• 1.3 热塑性聚氨酯（TPU）简介
• 1.3.1 热塑性聚氨酯（TPU）结构和性能
• 1.3.2 热塑性聚氨酯（TPU）物理改性
• 1.4 本文的目的、意义和主要内容
• 1.4.1 课题研究目的及意义
• 1.4.2 课题研究主要内容及创新性
• 第二章 氧化石墨及膨胀石墨的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 氧化石墨的宏观表征
• 2.3.2 傅里叶红外光谱（FT-IR）测试
• 2.3.3 扫描电镜（SEM）测试
• 2.3.4 X-射线衍射（XRD）测试
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 氧化石墨的宏观结构分析
• 2.4.2 傅里叶红外光谱分析
• 2.4.3 扫描电镜分析
• 2.4.4 X-射线衍射分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于石墨材料的聚乳酸复合材料的制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 性能测试
• 3.3.1 扫描电子显微镜（SEM）测试
• 3.3.2 X-射线衍射（XRD）测试
• 3.3.3 差示扫描量热仪（DSC）测试
• 3.3.4 热失重分析（TGA）测试
• 3.3.5 拉伸性能的测试
• 3.3.6 动态力学性能（DMA）测试
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 PLA 及其复合材料的SEM 分析
• 3.4.2 PLA 及其复合材料的XRD 分析
• 3.4.3 PLA 及其复合材料的DSC 分析
• 3.4.4 PLA 及其复合材料TG 分析
• 3.4.5 PLA 及其复合材料的拉伸性能分析
• 3.4.6 PLA 及其复合材料的DMA 分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于石墨材料的聚氨酯复合材料的制备及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 性能测试
• 4.3.1 扫描电镜（SEM）测试
• 4.3.2 X-射线衍射（XRD）测试
• 4.3.3 拉伸性能测试
• 4.3.4 DMTS 动态性能测试
• 4.3.5 电性能测试
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 TPU 及其复合材料的SEM 分析
• 4.4.2 TPU 及其复合材料的XRD 分析
• 4.4.3 TPU 及其复合材料的拉伸性能分析
• 4.4.4 TPU 及其复合材料的DMTS 分析
• 4.4.5 TPU 及其复合材料的电性能分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录