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石墨烯及其聚合物复合薄膜的制备与性能研究

作　者: 张用吉
导　师: 孙友谊
学　校: 中北大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 石墨烯环氧树脂硅丙乳液吸附防腐
分类号: TQ127.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

石墨烯是一种由sp2杂化碳原子构成的二维碳纳米材料，研究表明其具有许多优异的性能，如高理论比表面积、高电荷迁移率、优异的力学性能，这些优异的性能使石墨烯在生物医药、超级电容器、太阳能电池、吸附、防腐等诸多领域有着巨大的潜在应用。本文以天然石墨为原料，通过Hummers氧化法制备得到氧化石墨，然后对其进行改性和还原制备了官能化的石墨烯，通过XRD、FT-IR、SEM等对产物的结构进行了表征。在此基础上，研究了其对重金属Cu2+的吸附性能，结果表明对Cu2+的最大吸附容量高达1689mg/g，这一数值远大于文献中报道的对Cu2+的吸附量，而且吸附过程在短时间内(10分钟)就可达到吸附平衡。这些说明了我们的样品对于Cu2+具有非常优异的吸附能力和潜在的工业应用前景。将官能化石墨烯作为纳米填料添加到环氧树脂中，制备出了不同石墨烯含量的复合薄膜，通过Raman、SEM、TG、纳米压痕、电化学测试等对产物的结构和性能进行了表征。结果表明，掺杂0.7wt%石墨烯的复合薄膜的弹性模量最高，为5.62GPa，比纯环氧树脂的（2.44GPa）增加了约213%；掺杂0.7wt%石墨烯的复合薄膜的腐蚀电流最低，为0.18μA/cm2，比纯环氧树脂的（0.75μA/cm2）减小了约4倍，相应的腐蚀速率为0.3mm/year，低于纯环氧树脂的（1.3mm/year）。将官能化石墨烯作为纳米填料添加到硅丙乳液中，制备出了不同石墨烯含量的复合薄膜，通过Raman、SEM、TG、鼓泡、电化学测试等对产物的结构和性能进行了表征。结果表明，掺杂1.1wt%石墨烯的复合薄膜的屈服应力最高，为24.1GPa，比纯硅丙乳液的（8.2GPa）增加了约3倍；掺杂1.1wt%石墨烯的复合薄膜的腐蚀电流最低，为0.45μA/cm2,比纯硅丙乳液的（13.8μA/cm2）减小了约3个数量级，相应的腐蚀速率为0.8mm/year，低于纯硅丙乳液的（28.7mm/year）。石墨烯良好的防腐性能主要来自于其独特的二维片层结构、优良的导电性以及其表面疏水等特性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-23
  1.1 石墨烯简介  10
  1.2 石墨烯的性能  10-11
    1.2.1 良好的电化学性能  10-11
    1.2.2 良好的力学性能  11
    1.2.3 高导热率和高透光率  11
    1.2.4 超大的比表面积  11
  1.3 石墨烯的制备方法  11-16
    1.3.1 微机械剥离法  11-12
    1.3.2 氧化还原法  12-13
    1.3.3 外延生长法  13-14
    1.3.4 化学气相沉积法（CVD）  14-15
    1.3.5 电弧法  15-16
  1.4 石墨烯的应用研究进展  16-21
    1.4.1 在超级电容器方面的应用  16
    1.4.2 在太阳能电池方面的应用  16-17
    1.4.3 在锂离子电池方面的应用  17-18
    1.4.4 在吸附重金属离子方面的应用  18-19
    1.4.5 在金属材料防腐方面的应用  19-21
  1.5 本论文的研究背景和内容  21-23
2 PVP 修饰石墨烯的制备及其对重金属铜的吸附性能研究  23-37
  2.1 引言  23
  2.2 实验部分  23-26
    2.2.1 实验试剂与仪器  23-25
    2.2.2 PVP-rGO 的制备  25
    2.2.3 结构及性能测试  25-26
  2.3 结果与讨论  26-36
    2.3.1 PVP-rGO 的制备  26-28
    2.3.2 PVP-rGO 对 Cu~(2+)吸附的研究  28-32
    2.3.3 高效的吸附机理分析  32-36
  2.4 本章小结  36-37
3 石墨烯/环氧树脂复合薄膜的制备及其防腐性能研究  37-51
  3.1 引言  37-38
  3.2 实验部分  38-41
    3.2.1 实验试剂与仪器  38
    3.2.2 石墨烯/环氧树脂复合薄膜的制备  38-39
    3.2.3 结构及性能测试  39-41
  3.3 结果与讨论  41-50
    3.3.1 复合膜的制备  41-42
    3.3.2 SEM 分析  42-43
    3.3.3 热稳定性分析  43-44
    3.3.4 纳米压痕分析力学性能  44-47
    3.3.5 防腐性能分析  47-50
  3.4 本章小结  50-51
4 石墨烯/硅丙乳液复合薄膜的制备及其防腐性能研究  51-68
  4.1 引言  51
  4.2 实验部分  51-56
    4.2.1 实验试剂与仪器  51-52
    4.2.2 石墨烯/硅丙乳液复合薄膜的制备  52-53
    4.2.3 结构及性能测试  53-56
  4.3 结果与讨论  56-67
    4.3.1 复合膜的制备  56
    4.3.2 SEM分析  56-58
    4.3.3 热稳定性分析  58-59
    4.3.4 鼓泡分析力学性能  59-64
    4.3.5 防腐性能分析  64-67
  4.4 本章小结  67-68
总结  68-69
参考文献  69-78
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果  78-80
致谢  80-81

石墨烯及其聚合物复合薄膜的制备与性能研究

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