聚合物-石墨烯納米復(fù)合材料制備與性能研究.pdf

1、石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，以其獨(dú)特的二維晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)迅速引起全世界的關(guān)注，成為各個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，使用石墨烯作為聚合物基體的無(wú)機(jī)填充物制備聚合物基石墨烯納米復(fù)合材料極大地提升了聚合物基體的熱力學(xué)性質(zhì)，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，這方面的研究工作還處于起步階段，在材料制備方法、工藝以及結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系方面仍有許多科學(xué)問(wèn)題尚需探索解決，為此，本文以聚乳酸和聚乙烯醇作為聚合物基體，以石墨烯或氧化石墨烯作為無(wú)機(jī)填充

2、物制備了聚乳酸/石墨烯納米復(fù)合材料和聚乙烯醇/氧化石墨烯納米復(fù)合水凝膠材料。開(kāi)展這方面工作對(duì)設(shè)計(jì)、制備出性能優(yōu)異的新型納米復(fù)合材料有重要的指導(dǎo)作用。
　　針對(duì)聚乳酸結(jié)晶速率慢、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，采用溶液共混法制備了聚乳酸/石墨烯納米復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了石墨烯對(duì)聚乳酸基體熱穩(wěn)定性和結(jié)晶性能的影響。在此過(guò)程中，石墨烯在氯仿溶液中的穩(wěn)定分散是該制備方法的關(guān)鍵。研究結(jié)果表明石墨烯可以均勻地分散在聚乳酸基體中，較低的石墨烯添加量能顯著提高聚

3、乳酸的熱穩(wěn)定性，在石墨烯添加量為0.5wt%時(shí)，聚乳酸/石墨烯納米復(fù)合材料在失重5%時(shí)的溫度值是262.1 oC，比純聚乳酸提高23.1 oC。此外，相對(duì)于純聚乳酸，納米復(fù)合材料的冷結(jié)晶峰向高溫方向移動(dòng)，表明石墨烯在聚乳酸的冷結(jié)晶過(guò)程中起阻礙結(jié)晶的作用。
　　在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)聚乳酸/石墨烯納米復(fù)合材料進(jìn)行等溫和非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究。利用Avrami方程對(duì)聚乳酸及其石墨烯納米復(fù)合材料等溫結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)石墨烯在聚乳酸基體等

4、溫結(jié)晶過(guò)程中起到了異相成核劑的作用，加快了聚乳酸的結(jié)晶速率，并且降低了聚乳酸等溫結(jié)晶活化能。此外，對(duì)聚乳酸及其石墨烯納米復(fù)合材料非等溫結(jié)晶行為研究發(fā)現(xiàn)，在相同降溫速率下納米復(fù)合材料的結(jié)晶峰向高溫移動(dòng)，且半結(jié)晶時(shí)間縮短，表明石墨烯在聚乳酸的非等溫結(jié)晶過(guò)程中同樣起到了異相成核劑的作用，提高了聚乳酸的非等溫結(jié)晶速率，利用Avrami、Ozawa以及Mo的模型對(duì)聚乳酸及其石墨烯納米復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)只有Mo的方法能很好的描述

5、材料的非等溫結(jié)晶過(guò)程。同時(shí)，利用Kissinger方法分析了樣品非等溫結(jié)晶的活化能，發(fā)現(xiàn)石墨烯的添加提高了聚乳酸的結(jié)晶活化能，表明石墨烯對(duì)聚乳酸的非等溫結(jié)晶過(guò)程有阻礙作用。然而，石墨烯納米復(fù)合材料的結(jié)晶速率比純聚乳酸快，這是由于在整個(gè)非等溫結(jié)晶過(guò)程中石墨烯的成核作用一直占主導(dǎo)地位，結(jié)晶形態(tài)的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了石墨烯異相成核的作用。
　　此外，利用冷凍解凍法制備了聚乙烯醇/氧化石墨烯納米復(fù)合水凝膠，通過(guò)重復(fù)的冷凍解凍過(guò)程，在聚乙烯醇和

6、氧化石墨烯之間形成了以分子間氫鍵為作用力的物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)最終水凝膠性能的影響，包括氧化石墨烯含量、氧化石墨烯片層大小，85°C下攪拌時(shí)間以及冷凍解凍循環(huán)次數(shù)。結(jié)果表明，氧化石墨烯的添加，提高了聚乙烯醇的結(jié)晶度、熱穩(wěn)定性和溶脹比。相對(duì)于片層尺寸較大的氧化石墨烯，尺寸為2μm的氧化石墨烯所形成的復(fù)合水凝膠中，氫鍵作用較強(qiáng)，故而形成的物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)也比較多，從而導(dǎo)致溶脹比降低。然而，在85°C下對(duì)聚乙烯醇/氧化石墨烯溶液攪拌