石墨烯/聚苯乙烯导电纳米复合材料及其性能研究

论文摘要

石墨烯,一种由碳原子以sp2杂化组成的晶体,近年来成为了研究热点。由于它独特的二维结构,使得石墨烯在力学、热学、光学、电学、等方面都具备优异的性能。相比碳纳米管,石墨烯具备更大的比表面积。使得石墨烯在很多方面更优于碳纳米管。研究人员发现,石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了一般导体。石墨烯这种优良的导电性,使其在导电复合材料领域有很广阔的应用。在过去相当长的时间里,导电纳米复合材料一直受限于填料的含量过高,而导致其机械性能的降低。我们采用Schniepp法制备了完全剥离的石墨烯,并以它为填料,制备了石墨烯/聚苯乙烯导电纳米复合材料。结果发现,加入含量很低的石墨烯,就能达到理想的电导率。本文的主要工作如下：1、采用Schniepp法制备了石墨烯。通过XRD测试表明,石墨被氧化后,其层间距由0.34 nm扩大到0.71 nm。而后采用红外、XPS等手段证实了氧化石墨上含有大量的活性官能团（-COOH,-OH等）。热还原后,由XRD表明石墨层间结构被破坏。通过TEM发现石墨烯已经完全剥离,相当的石墨烯厚度只有0.34 nm。2、采用溶液法制备了碳纳米管/聚苯乙烯和石墨烯/聚苯乙烯纳米复合材料,并比较了它们的导电性能。我们发现石墨烯对聚苯乙烯导电性能的贡献明显优于碳纳米管。通过SEM和TEM表明,碳纳米管发生了部分团聚,而石墨烯能均匀分散在聚苯乙烯中,而且剥离得很充分。3、采用溶液法制备了氧化石墨烯/聚苯乙烯纳米复合材料。后将其在真空烘箱中在120℃下干燥12小时,发现氧化石墨发生了热还原。通过TGA证实了这一结论。4、制备了石墨烯/聚乳酸/聚苯乙烯和石墨烯/碳酸钙/聚苯乙烯导电纳米复合材料。相比石墨烯/聚苯乙烯,无论是加入聚乳酸还是碳酸钙,其导电性都有不同程度的提高。通过SEM和TEM等测试手段发现,第三相起到了体积排除的作用。由于加入的碳酸钙为纳米级,使得其容易团聚,因而体积排除效果不及聚乳酸好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨烯
• 1.2.1 石墨烯的结构与性质
• 1.2.2 石墨烯的制备
• 1.2.3 石墨烯的修饰
• 1.2.4 石墨烯的应用
• 1.3 石墨烯/聚合物导电复合材料
• 1.3.1 石墨烯/聚合物导电复合材料的制备方法
• 1.3.2 复合型导电高分子材料导电机理
• 1.3.3 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展
• 1.4 本实验的研究内容和主要目标
• 第二章 石墨烯的制备与表征
• 2.1 前言
• 2.2 试验部分
• 2.2.1 试验原料及仪器
• 2.2.2 制备石墨烯
• 2.2.3 表征石墨烯
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 石墨的氧化程度
• 2.3.2 碳纳米管和石墨烯的形貌
• 2.4 本章小结
• 第三章 石墨烯/聚苯乙烯和碳纳米管/聚苯乙烯纳米复合材料的制备及性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 试验原料及仪器
• 3.2.2 制备石墨烯/聚苯乙烯和碳纳米管/聚苯乙烯纳米复合材料
• 3.2.3 复合材料的表征与性能比较
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 采用不同溶剂制备的石墨烯/聚苯乙烯复合材料
• 3.3.2 碳纳米管/聚苯乙烯和石墨烯/聚苯乙烯复合材料的形貌和性能比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 氧化石墨烯/聚苯乙烯纳米复合材料的制备及性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 试验原料及仪器
• 4.2.2 制备氧化石墨烯/聚苯乙烯纳米复合材料
• 4.2.3 复合材料的表征与性能比较
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 氧化石墨烯/聚苯乙烯复合材料的电学研究
• 4.3.2 氧化石墨烯的热稳定性研究
• 4.3.3 聚苯乙烯复合材料的形态表征
• 4.4 本章小结
• 第五章 三元导电纳米复合材料的制备与性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 试验部分
• 5.2.1 试验原料
• 5.2.2 制备石墨烯/聚乳酸/聚苯乙烯纳、石墨烯/碳酸钙/聚苯乙烯、石墨烯/高抗冲聚苯乙烯纳米复合材料
• 5.2.3 石墨烯/聚乳酸/聚苯乙烯、石墨烯/碳酸钙/聚苯乙烯纳米复合材料的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 聚乳酸体积排除体系
• 3体积排除体系'>5.3.2 CaCO₃体积排除体系
• 5.3.3 橡胶体积排除体系
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论部分
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师介绍
• 附件