石墨烯基納米復(fù)合材料的制備及性能.pdf

1、PreparationandPropertiesofNanocompositesBasedonGrapheneDissertationSubmittedtoFudanUniversityfortheDegreeofPhDByFangMing(DepartmentofpolymerScience)Supervisor：ProfessorYangYuliangAssociateProfessorLuHongbinApril，2011摘要自2

2、004年首次報(bào)道獨(dú)立存在的石墨烯以來(lái)，它在力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面的優(yōu)異性能，使之迅速成為目前材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的一個(gè)熱點(diǎn)，這歸因于石墨烯的獨(dú)特的二維晶體結(jié)構(gòu)。本論文主要研究了石墨烯的制各、共價(jià)／非共價(jià)修飾及其初步應(yīng)用。主要內(nèi)容如下：l報(bào)道了通過(guò)重氮鹽反應(yīng)和原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了石墨烯的共價(jià)接枝。拉曼光譜(Raman)和紅外光譜(FTIR)等手段證明了石墨烯和聚苯乙烯z間的共價(jià)鍵合。熱失重分析(TGA

3、)結(jié)果表明共價(jià)接枝在石墨烯表面的聚苯乙烯含量達(dá)到了82州％。由于石墨烯片層對(duì)聚苯乙烯鏈強(qiáng)烈的限制效應(yīng)，DSC測(cè)試發(fā)現(xiàn)共價(jià)接枝在石墨烯表面的聚苯乙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)于自由的聚苯乙烯提高了150C左右，這從側(cè)面證明了石墨烯和聚苯乙烯之間的共價(jià)鍵臺(tái)。而原子力顯微鏡(AFM)和透射電鏡(TEM)為共價(jià)接枝提供了直觀的證據(jù)：接枝在石墨烯片層表面的聚苯乙烯鏈的厚度大約為1nm，并且片層中間區(qū)域的厚度比邊緣區(qū)域更高。復(fù)合材料的楊氏模量和斷裂強(qiáng)度隨

4、著接枝石墨烯含量的增加而提高，當(dāng)添加量達(dá)到09wt％的時(shí)候，其復(fù)合膜的楊氏模量和斷裂強(qiáng)度分別增加了572％和695％。2我們系統(tǒng)地調(diào)控了接枝在單層石墨烯表面的聚合物的接枝密度和聚合物的鏈長(zhǎng)：通過(guò)控制重氮鹽反應(yīng)物的濃度，我們控制了聚合物在石墨烯表面的接枝密度：通過(guò)控制原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)過(guò)程中的單體濃度，我們有效地調(diào)控了接枝在石墨烯表面的聚臺(tái)物鏈長(zhǎng)(Mn=2l300—78900g／moI)。TEM結(jié)果直觀地顯示了這些樣品的不同表

5、面形貌：低接枝密度的石墨烯表面聚苯乙烯的分布非常不均勻，而高接枝密度石墨烯表面聚苯乙烯分布非常均勻，并且隨著分子量的增加，聚苯乙烯的分布變得越來(lái)越連續(xù)，直至在石墨烯表面形成了一層聚臺(tái)物膜。DSC結(jié)果表明不同的接枝樣品中，石墨烯對(duì)接枝聚苯乙烯鏈的限制情況也是不同的。同樣不同的接枝樣品對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響也是有差異的：低接枝密度的石墨烯樣品的增強(qiáng)效果優(yōu)于高接枝密度的石墨烯樣品，并且都比未經(jīng)修飾的原料石墨和碳納米管的增強(qiáng)效果要顯著，這說(shuō)明有