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Fe3O4、碳纳米管及石墨烯增强再生纤维素膜的研究

作　者: 汤立
导　师: 何春菊
学　校: 东华大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Fe3O4 多壁碳纳米管 石墨烯 再生纤维素膜 力学性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


由于石油资源日益枯竭以及石油制品生产的非降解塑料引起的环境污染日益严重,研究和开发以天然高分子为原料的新高分子材料已成为本世纪高分子领域的重要课题之一。纤维素是地球上最丰富的天然高分子,具有独特的性质,如无毒、安全、生物可降解性、生物相容性、亲水性、化学稳定性等,且价格低廉。目前,以纤维素为原料的再生纤维素制品如微孔膜和化学纤维已广泛地应用于各个领域。本论文用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯([Bmin]C1)溶解纤维素,分别制备Fe304、碳纳米管和石墨烯增强再生纤维膜并研究其结构与性能。论文主要分为以下四个部分：(1)磁性复合膜具有广泛的潜在应用,我们首先用刮膜的方法制备出再生纤维素膜,接着以再生纤维素膜作为基体,采用原位共沉淀法将Fe304纳米粒子附着到再生纤维素膜上。扫描电子显微镜和X射线衍射的结果显示,球形的Fe304纳米粒子能均匀分散和固定在再生纤维素膜基体上,Fe304纳米粒子的结构在膜表面保存完好。傅立叶红外光谱表明,Fe304纳米粒子与再生纤维膜之间存在强烈的作用力,这样导致了磁性粒子能在膜表面形成,热重测试显示,随着复合膜中Fe304的摩尔分数从0.01增加到0.5,复合膜在空气环境烧后的残留量从6.8%提高到28.3%。同时复合膜显示出显著的力学强度。原位共沉淀的方法简单、易行,为制备纤维素基复合物提供了很好的途径。(2)碳纳米管的一维管状结构赋予其优异的物理化学性质,在纳米电子器件、复合材料和催化剂等领域具有广阔的应用前景。我们使用溶液共混方法制备出多壁碳纳米管/再生纤维素复合膜,使用了X射线衍射、傅立叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和机械测试仪对复合膜的结构和力学性能进行了测试。结果显示,当多壁碳纳米管的填充量为5%(质量分数)时,碳纳米管／再生纤维素复合膜的抗张强度和抗张模量相对于纯纤维素膜分别提高了184%和54%。复合膜的强度和韧性能同时得到提高的原因有：多壁碳纳米管纳米片能均匀分散在再生纤维素基体内,多壁碳纳米管与再生纤维素膜间具有强烈的氢键作用。(3)石墨烯因为具有优异的物理和化学修饰性而得到人们的广泛关注。我们使用简单的溶液共混方法制备出石墨烯／再生纤维素复合膜,使用了X射线衍射、傅立叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和力学测试仪对复合膜的结构和力学性能进行了测试。结果显示,当石墨烯的填充量为5%(质量分数)时,石墨烯/再生纤维素复合膜的抗张强度和抗张模量分别提高了137%和95%。复合膜的强度和韧性能同时得到提高的原因有：石墨烯纳米片能均匀分散在再生纤维素基体内,并呈平行排列；石墨烯与再生纤维素膜间具有强烈的氢键作用,同时石墨烯的添加显著提高了复合膜的结晶度。(4)尽管最近几年以石墨烯为基体的材料发展迅速,但是石墨烯填充高分子材料的报道却较少,主要原因是石墨烯纳米片很难以分子尺度分散在高聚物基体中。我们以剥落氧化石墨烯作为骨架,采用层层自组装的方法制备出氧化石墨烯/再生纤维素多层膜。场发射扫面电子显微镜测试结果显示多层膜是层状结构,50层膜的厚度为20μm,则每单层膜的厚度大约为400nm,而且多层膜的表面光滑。这是由于氧化石墨烯以分子尺度均匀分散在再生纤维膜的基体内。同时复合膜中氧化石墨烯的添加,使得再生纤维素膜产生导电性,而且多层膜的电导率层数的增加而增大。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-13
第一章 绪论  13-26
  1.1 纤维素概述  13-16
    1.1.1 纤维素的来源  13-14
    1.1.2 纤维素的结构  14-15
    1.1.3 纤维素的性质  15-16
  1.2 纤维素膜概述  16-20
    1.2.1 纤维素分离膜  16-18
    1.2.2 纤维素包装膜  18-19
    1.2.3 光致发光复合纤维素膜  19-20
  1.3 本论文的主要研究内容  20-26
    1.3.1 Fe_3O_4、碳纳米管与石墨烯简介  20-23
    1.3.2 制备复合膜的方法  23-25
    1.3.3 本论文主要研究内容  25-26
第二章 Fe_3O_4/再生纤维素复合膜的结构与性能  26-32
  2.1 引言  26
  2.2 实验部分  26-28
    2.2.1 试剂与仪器  26-27
    2.2.2 Fe_3O_4/再生纤维素复合膜的制备  27
    2.2.3 测试与表征仪器  27-28
  2.3 结果与讨论  28-31
    2.3.1 复合膜的结构  28
    2.3.2 红外分析  28-29
    2.3.3 XRD分析  29-30
    2.3.4 力学性能  30
    2.3.5 热重分析  30-31
  2.4 本章小节  31-32
第三章 碳纳米管/再生纤维素复合膜的结构与性能  32-40
  3.1 引言  32
  3.2 实验部分  32-34
    3.2.1 试剂与仪器  32-33
    3.2.2 MWCNTs/再生纤维素复合膜的制备  33
    3.2.3 测试与表征仪器  33-34
  3.3 结果与讨论  34-39
    3.3.1 MWCNTs的结构  34
    3.3.2 复合膜的微观结构  34-36
    3.3.3 XRD分析  36
    3.3.5 力学性能  36-38
    3.3.6 电学性能  38-39
  3.4 本章小节  39-40
第四章 石墨烯/再生纤维素复合膜的结构和性能  40-53
  4.1 引言  40
  4.2 实验部分  40-43
    4.2.1 试剂与仪器  40-41
    4.2.2 石墨烯/再生纤维素复合膜的制备  41-43
    4.2.3 测试与表征仪器  43
  4.3 结果与讨论  43-52
    4.3.1 石墨烯  43-47
    4.3.2 石墨烯/再生纤维复合膜  47-52
  4.4 本章小节  52-53
第五章 层层自组装氧化石墨烯/再生纤维素多层膜的初步探索  53-61
  5.1 引言  53-54
  5.2 实验部分  54-56
    5.2.1 试剂与仪器  54
    5.2.2 氧化石墨烯(GO)/再生纤维素(RC)复合膜的制备  54-55
    5.2.3 测试与表征仪器  55-56
  5.3 结果与讨论  56-59
    5.3.1 氧化石墨烯  56
    5.3.2 (RC/GO)复合膜  56-59
  5.4 本章小节  59-61
第六章 总结与展望  61-64
  6.1 论文总结  61-62
  6.2 本工作的创新性  62
  6.3 进一步工作建议  62-64
参考文献  64-73
附录一:攻读硕士期间发表论文及学术成果情况  73-74
附录二:致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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