功能化石墨烯及其復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、石墨烯是由碳原子以正六邊形組成的蜂窩狀單層二維片層材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能、光學(xué)性能、熱導(dǎo)性能、阻隔性能、量子霍爾效應(yīng)、室溫鐵磁效應(yīng)等，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前制備石墨烯的方法有很多，大多都條件苛刻難以實(shí)現(xiàn)，氧化還原法制備石墨烯具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、產(chǎn)率高以及可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。無(wú)論是氧化石墨烯還是石墨烯都具有優(yōu)異綜合性能和超高比表面積，因此使它們成為制備高性能復(fù)合材料的理想填料。但是石墨烯在基體體系中分散和團(tuán)聚是限制

2、其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。本論文為解決這些問(wèn)題，從提高填料與基體之間界面的相互作用出發(fā)，在石墨烯的表面引入活性官能團(tuán)，并用這些功能化的石墨烯作為填料制備聚合物復(fù)合材料。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）通過(guò)氧化還原法制備氧化石墨烯和石墨烯，再利用其表面的含氧基團(tuán)（羥基、羧基、羰基、環(huán)氧基）進(jìn)行共價(jià)鍵修飾。首先是氨基化修飾，用對(duì)苯二胺溶液和氧化石墨烯溶液按10:1（固含量比）混合，90℃反應(yīng)24h，然后還原離心分離，得到氨基功能化石墨烯；其

3、次用接枝法在氨基化石墨烯表面接上磁性納米粒子得到磁功能化石墨烯；以上兩種功能化石墨烯都可在有機(jī)溶劑中重新分散。
　?。?）通過(guò)機(jī)械共混的方法制備氨基功能化石墨烯硅橡膠復(fù)合材料。利用氨基化石墨烯可重新分散在有機(jī)溶劑中的特點(diǎn)，將其與室溫硫化硅橡膠（RTV-Silicone Rubber）在四氫呋喃（THF）中混合制備復(fù)合材料。石墨烯的加入大大提升了硅橡膠力學(xué)強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性能、電性能和氣體阻隔性能，由于氨基的引入，使石墨烯與硅橡膠之間有

4、了很好的結(jié)合作用，當(dāng)填料含量為0.5％時(shí)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提升164.7%、122.6%；當(dāng)填料含量為1.5%時(shí)，熱穩(wěn)定性大幅度提升，熱分解起始溫度較硅橡膠提升10~16℃，到600℃時(shí)失重率只降低了14%；當(dāng)填料含量為1%時(shí)使硅橡膠體積電阻從1016?降低到107?，降低9個(gè)數(shù)量級(jí)。功能化石墨烯的加入也使體系的氣體阻隔性能提升，填料含量為0.7%時(shí)，透氣系數(shù)減小為RTV硅橡膠的2/3，即阻隔性能在硅橡膠的基礎(chǔ)上提升了33.3%

5、。
　?。?）通過(guò)溶液共混法制備氨基功能化石墨烯聚乳酸復(fù)合材料和磁性石墨烯聚乳酸復(fù)合材料。用XRD、SEM、DSC表征了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形貌和分散情況，也研究了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能、電性能和氣體阻隔性能。XRD和SEM分析表明，功能化石墨烯在聚乳酸體系中分散性較好，沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，功能化石墨烯片被聚乳酸分子鏈包覆，相界面模糊；復(fù)合材料形貌粗糙，純聚乳酸形貌光滑平整；DSC分析表明，聚乳酸復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨著功能化石墨烯的加

6、入量增多依次升高，純聚乳酸的Tg為56.2℃，當(dāng)功能化石墨烯含量為0.5%時(shí)，Tg達(dá)到62.4℃；電性能和透氣性能分析表明，純聚乳酸的電導(dǎo)率在10-17S·m-1附近，隨著功能化石墨烯的加入，電導(dǎo)率開(kāi)始逐漸上升。當(dāng)填料含量為0.1%時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到了10-13S·m-1，含量為2%時(shí)，電導(dǎo)率為10-8S·m-1，較聚乳酸提升了9個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)填料含量為0.03%時(shí)，透氣系數(shù)減小到2.42×10-12 cm3·cm/cm2·s·Pa。