聚苯乙烯接枝石墨烯及其聚合物復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、作為一種由碳原子緊密堆疊在二維的蜂窩晶格中而形成的平面單層納米材料，石墨烯(Graphene)憑借著獨(dú)特的導(dǎo)電性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能以及二維的片層分子結(jié)構(gòu)在眾多領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。但由于石墨烯表面缺少官能團(tuán)且很難在聚合物基體中得到良好的分散，它在聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用受到很大的限制，因此需要對其進(jìn)行表面改性。而作為制備石墨烯的前驅(qū)體，氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)成本低廉，且表面含有羥基、羧基、羰基等含氧官能團(tuán)

2、，這為石墨烯的表面改性提供了很好的反應(yīng)位點(diǎn)?；诖?，本論文先通過微乳液聚合的方法對GO進(jìn)行表面接枝改性，將其化學(xué)還原后加入到聚苯乙烯（Polystyrene，PS）中，制備出聚苯乙烯改性石墨烯（Polystyrene grafted reduced graphene oxide，rGO-PS），同時(shí)調(diào)控改性石墨烯上PS的接枝密度、接枝鏈長來改變填料與聚合物之間的界面相互作用，進(jìn)而研究界面相互作用對復(fù)合材料介電性能及力學(xué)性能的影響;其次將

3、其引入到尼龍6（Polyamide6,PA6）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acylonitrile Butadiene Styrene，ABS)不相容共混物中，調(diào)控rGO-PS在界面的分布，研究其對共混物復(fù)合材料的微觀形貌以及力學(xué)性能的影響。主要研究成果如下:
　　(1)通過微乳液聚合輔以化學(xué)還原的方法成功制備出rGO-PS。形貌表征發(fā)現(xiàn)石墨烯片層表面包覆有PS分子鏈，結(jié)構(gòu)表征證明這兩者之間是以共價(jià)鍵的方式連接在一起，且化學(xué)還

4、原所得到的石墨烯仍然能保留部分含氧官能團(tuán)。此外，通過改變單體與引發(fā)劑的比例制備出不同接枝密度以及不同接枝鏈長的rGO-PS，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明，PS接枝密度的增加以及接枝鏈長的增長都能增大石墨烯片層的層間距，促進(jìn)石墨烯片層發(fā)生剝離，且rGO-PS3對石墨烯片層的剝離效果最好。
　　(2)將不同rGO-PS引入到PS中制備出PS/rGO-PS納米復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)隨著接枝密度的增加，rGO-PS與PS之間的界面相互作用逐漸

5、增強(qiáng)，但接枝鏈長對其影響較弱;PS接枝密度和接枝鏈長的增加促進(jìn)了石墨烯片層發(fā)生剝離，這也將促進(jìn)其在基體中的分散。機(jī)械性能測試結(jié)果表明，接枝鏈長的增加對復(fù)合材料的拉伸韌性提升有一定的促進(jìn)作用，而接枝密度的增加能大幅度提升材料的模量、強(qiáng)度以及拉伸韌性，這歸因于兩方面因素:一方面，接枝鏈長以及接枝密度的增加能增強(qiáng)填料和基體之間的界面相互作用;另一方面，對石墨烯進(jìn)行接枝改性后能很好的促進(jìn)石墨烯在聚合物基體中的分散。介電性能測試結(jié)果表明，接枝密度

6、越高，石墨烯在基體中的分散更均勻，所對應(yīng)的介電逾滲閾值越小，而接枝鏈長對復(fù)合材料介電性能沒有太大的影響。同時(shí)，引入5 wt％ rGO-PS后復(fù)合材料介電性能出現(xiàn)大幅度的提升，這是界面極化以及微電容結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。
　　(3)向PA6/ABS體系中引入rGO-PS制備出PA6/ABS/rGO-PS共混復(fù)合材料。引入rGO-PS后，納米復(fù)合材料在維持原有的模量和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，拉伸韌性和沖擊韌性都有著很大程度地提升，相較于純樣而言，