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石墨烯制备、表征及其在聚合物复合材料中应用

作　者: 吴敏杰
导　师: 钟明强；杨晋涛
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料学
关键词: 石墨烯氧化石墨烯聚合物复合材料超临界CO2发泡性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

纳米复合材料是当前材料科学领域研究热点之一,涉及多类学科,具有较大的理论和应用价值。近年来,作为碳素材料的一种新形式,石墨烯具有优良的物理和化学特性,已成为复合材料领域的一个重要研究方向。本文首先采用Hummers法氧化石墨得到氧化石墨烯（GO）,并对其氧化程度以及在水中的形态和分散状况进行了表征。然后,采用溶液共混和乳液共混的方法制备得到聚合物/GO、聚合物/graphene复合材料,以期达到本体聚合物力学性能和热性能的提高,同时也研究了聚合物泡沫材料的泡孔形貌。最后,系统探讨了GO和graphene的浓度、表面改性及分散状况对材料性能的影响,并进一步考察了它们的作用机理。通过几种表征方法（如XRD、XPS等）,我们可以得到:天然石墨已经被充分地氧化且剥离成GO片层。同时,它在水中的形态和分散状况可以通过肉眼观察和透射电镜得到。采用异氰酸苯酯对GO进行有机化改性,傅立叶转换红外光谱（FT-IR）分析结果表明,异氰酸苯酯与GO表面上的官能团发生了反应,从而实现了它们之间的化学连接。通过将异氰酸酯处理的GO和PS在相同溶剂（DMF）中进行溶液共混,可以复合得到PS/GO复合材料。对其形貌进行表征,结果显示GO不能很好地分散在PS母体中,导致其复合材料的热性能和力学性能都只得到轻微的提高。同理,GO在PS超临界CO₂发泡中的异相成核效果也没有预期的明显。然而,GO在整个发泡过程中,确实充当了异相成核剂作用,对复合泡沫材料的泡孔尺寸和泡孔密度还是产生了一定的影响。为了提高GO片层在聚合物母体中的分散状况,论文进而阐述了一种简单制备聚合物复合材料的方法。即以阳离子的乳化剂（MAETAC）对PMMA进行修饰,将修饰后的PMMA乳液与GO水溶液共混,利用GO边缘的负电荷与乳胶粒子表面正电荷的相互作用,从而可以得到GO分散均匀的PMMA复合材料。同时,由于静电作用,GO能够在乳液中进行原位化学还原而不聚并,从而使还原后的graphene片层依然非常均匀地分散在PMMA基体中。通过差示扫描量热分析（DSC）和动态热机械分析（DMA）,研究了GO和graphene片层对于PMMA材料性能的影响。对于储能模量和玻璃化转变温度,PMMA/graphene比PMMA/GO有更大程度的提高。同时,对于PMMA/graphene复合材料,其导电性随着graphene含量的递增呈现出几个数量级的增加。因此,该方法制备得到的复合材料具有良好的应用前景。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章文献综述  10-32
  1.1 引言  10-11
  1.2 氧化石墨烯概述  11-17
    1.2.1 氧化石墨烯的发展历史  11-12
    1.2.2 氧化石墨烯的结构、分子组成  12-14
    1.2.3 氧化石墨烯的性能  14-16
    1.2.4 氧化石墨烯的合成方法  16
    1.2.5 氧化石墨烯的有机化处理  16-17
  1.3 聚合物/氧化石墨烯复合材料  17-25
    1.3.1 聚合物/氧化石墨烯复合材料的制备方法  17-19
    1.3.2 聚合物/氧化石墨烯复合材料的性能  19-22
    1.3.3 聚合物/氧化石墨烯复合材料的表征  22-23
    1.3.4 聚合物/氧化石墨烯复合材料的应用前景  23-25
  1.4 聚合物/石墨烯复合材料  25-30
    1.4.1 聚合物/石墨烯复合材料的制备方法  25
    1.4.2 聚合物/石墨烯复合材料的性能  25-27
    1.4.3 聚合物/石墨烯复合材料的应用前景  27-30
  1.5 本论文研究的主要目的、内容、方法及创新之处  30-32
    1.5.1 论文的主要目的及意义  30
    1.5.2 论文内容  30-31
    1.5.3 论文研究方法  31
    1.5.4 论文的特色和创新之处  31-32
第二章氧化石墨烯的制备及表征  32-43
  2.1 前言  32-33
  2.2 实验部分  33-36
    2.2.1 主要原料  33
    2.2.2 实验仪器及设备  33-34
    2.2.3 材料制备  34-35
    2.2.4 分析测试  35-36
  2.3 结果与讨论  36-42
    2.3.1 氧化石墨烯的表征及其结构特性  36-39
    2.3.2 异氰酸苯酯改性  39-42
  2.4 本章小结  42-43
第三章 PS/GO 复合材料的制备、表征及应用  43-58
  3.1 前言  43
  3.2 实验部分  43-48
    3.2.1 主要原料  43-44
    3.2.2 仪器及设备  44
    3.2.3 材料制备  44-46
    3.2.4 分析测试  46-48
  3.3 结果与讨论  48-57
    3.3.1 PS/GO 复合材料的形貌  48-50
    3.3.2 PS/GO 复合材料的性能研究  50-54
    3.3.3 PS/GO 复合材料的发泡性能研究  54-57
  3.4 本章小结  57-58
第四章 PMMA/GO、PMMA/graphene 复合材料的制备及表征  58-74
  4.1 前言  58
  4.2 实验部分  58-63
    4.2.1 主要原料  58-59
    4.2.2 仪器及设备  59
    4.2.3 材料制备  59-60
    4.2.4 分析测试  60-63
  4.3 结果与讨论  63-73
    4.3.1 PMMA/GO 乳液表征  63-65
    4.3.2 PMMA/GO 复合材料的形貌  65-67
    4.3.3 PMMA/GO 复合材料的性能研究  67-70
    4.3.4 PMMA/graphene 复合材料性能研究  70-73
  4.4 本章小结  73-74
第五章结论、创新点和展望  74-76
  5.1 结论  74
  5.2 创新点  74-75
  5.3 展望  75-76
参考文献  76-83
攻读硕士学位期间发表的论文  83-84
致谢  84

石墨烯制备、表征及其在聚合物复合材料中应用

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