石墨烯-聚合物納米復合材料的制備、界面結構與性能調控.pdf

1、石墨烯（Graphene）是近些年發(fā)展起來的一種新型二維層狀納米材料，具有優(yōu)異的物理性能，是當前國內外的研究熱點之一，受到材料、化學、物理、生物、能源、電子和信息技術等領域的廣泛關注。特別地，石墨烯具有突出的力學、出色的導熱和導電性能，是制備聚合物納米復合材料的理想填料之一。然而，由于高比表面積和范德華力作用，石墨烯在聚合物中易團聚且與基體的界面質量較差，這些因素制約了高性能石墨烯/聚合物復合材料的制備。因此，如何將石墨烯有效地分散到聚

2、合物基體中以及構筑石墨烯與聚合物基體良好的界面質量一直是科學界以及工業(yè)界亟待解決的難題。
　　本文利用不同的分散石墨烯的方法，得到不同分散狀態(tài)的石墨烯/聚合物復合材料，首先研究了石墨烯的分散性對聚合物力學以及熱學性能的影響;其次，通過采用石墨烯（包括氧化石墨烯）表面改性的方法，實現(xiàn)了石墨烯在聚合物基體中的良好分散以及與基體間的界面結構的調控;此外，還對石墨烯增強/增韌聚合物的機理進行了研究。具體研究內容及結果詳述如下:
　　

3、1.通過采用不同的制備方法（溶液法和機械球磨法），構筑了兩種不同分散狀的熱還原石墨烯(TRGO)/環(huán)氧樹脂納米復合材料，研究了石墨烯分散狀態(tài)對材料各種性能（包括力學、熱學和導電性能）的影響;結果顯示:與分散差的石墨烯相比較，分散良好的石墨烯更有利于提高復合材料的導電、玻璃化溫度、強度、斷裂韌性等性能。此外，還對石墨烯增強增韌環(huán)氧樹脂的機理進行了探索，發(fā)現(xiàn)石墨烯與基體之間的脫粘以及在裂紋尖端的橋聯(lián)應該是石墨烯增韌環(huán)氧樹脂的主要原因?？梢?，

4、石墨烯的分散性對復合材料的性能至關重要，是實現(xiàn)制備高性能多功能聚合物納米復合材料的必要前提。
　　2.為了改善石墨烯在聚合物中分散穩(wěn)定性與界面質量，我們采用雙親的表面活性劑對石墨烯進行處理:表面活性劑親油端能夠吸附在石墨烯表面，親水端可增加石墨烯與環(huán)氧基體的相容性，實現(xiàn)了石墨烯在環(huán)氧樹脂中分散穩(wěn)定性，同時環(huán)氧基體與石墨烯的界面也得到了顯著地改善。該方法簡便、有效，雙親的表面活性劑起到了聯(lián)接石墨烯與聚合物基體“橋梁”的作用，這也更加

5、利于應力的有效傳遞，大幅度提高了復合材料的拉伸強度和斷裂韌性。
　　3.相比較于TRGO，氧化石墨烯(GO)不但具有易制備、廉價優(yōu)點，而且其表面富含有氧化基團，如羧基、羥基以及環(huán)氧基等。對GO進行表面接枝改性已經(jīng)有大量的報道，但很多接校改性方法比較繁瑣復雜，制備的條件也較為苛刻，且成本較高，這些都不利于大規(guī)模制備與應用。我們采用了一種相對簡便、價格低廉的制備方法來表面改性GO:利用環(huán)氧聚合物分子對GO進行共價鍵接枝，這不僅有效地剝

6、離GO，而且提高GO在樹脂基體中的相容性，接枝在GO表面的環(huán)氧分子與環(huán)氧基體在固化的過程中可以形成共價鍵，從而充分發(fā)揮GO的優(yōu)異性能;因此，改性后的GO/環(huán)氧樹脂復合材料具有優(yōu)異的力學以及熱學性能。
　　4.我們還采用采用硅烷偶聯(lián)劑(KH560)對GO進行表面改性，一端水解產生硅羥基能與GO表面的羥基進行反應，另一端含有環(huán)氧基團，能夠促進GO與環(huán)氧基體的相容性，改善GO與基體間的界面。改性后的GO對環(huán)氧樹脂的儲能模量、熱穩(wěn)定性、玻