石墨烯-PET復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、石墨烯是一種由sp2雜化碳原子組成的新型碳材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、超大的比表面積、超高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。石墨烯因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、催化劑載體、光電顯示、納米復(fù)合材料等領(lǐng)域。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有機(jī)械性能優(yōu)良、尺寸穩(wěn)定性好、耐化學(xué)性等優(yōu)點(diǎn)，在纖維、薄膜、包裝和工程塑料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但由于PET分子鏈中含有剛性基團(tuán)苯環(huán)，使其結(jié)晶速率慢，快速冷卻時(shí)結(jié)晶度低，加工成型周期長(zhǎng)，因此大大限制了其在建筑、汽車(chē)等工程塑

2、料領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。為了充分發(fā)揮PET低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)，選用石墨烯作為改性劑改善PET的結(jié)晶行為，提高結(jié)晶速率，同時(shí)使PET的熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度提高，制備出一種高性能、新用途的復(fù)合材料。
　　本文選用不同硅烷偶聯(lián)劑對(duì)石墨烯進(jìn)行改性處理，然后通過(guò)直接酯化和原位聚合法合成石墨烯/PET復(fù)合材料。通過(guò)FT-IR、透射電鏡、激光粒度分析儀對(duì)改性前后的石墨烯分散性進(jìn)行表征;并利用FT-IR、特性黏度測(cè)試、TG、DSC、熱臺(tái)偏光顯微鏡(P

3、OM)、RH7型毛細(xì)管流變儀研究了石墨烯的添加對(duì)PET的分子結(jié)構(gòu)、分子質(zhì)量、熱穩(wěn)定性、結(jié)晶性能、剪切流變性能等的影響。結(jié)果表明:
　　1.用KH550、KH560和KH792三種偶聯(lián)劑對(duì)石墨烯進(jìn)行處理，分析結(jié)果表明:石墨烯經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性后，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減輕，分散均勻性及穩(wěn)定性顯著提高;其中，經(jīng)KH560和KH792改性后石墨烯的分散穩(wěn)定性比KH550的更好。在聚酯合成溫度下，KH550和KH792分子中的氨基會(huì)受高溫分解生成氨氣

4、，有刺激性氣味。因此，從偶聯(lián)劑對(duì)石墨烯改性分散穩(wěn)定性和復(fù)合材料的制備兩方面考慮，最終選用KH560表面改性石墨烯。通過(guò)FT-IR測(cè)試表明，KH560分子鏈接枝到了石墨烯片層中。
　　2.采用原位聚合法制備了石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.075、0.1、0.3、0.5wt％的石墨烯/PET復(fù)合材料。通過(guò)FT-IR測(cè)試表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)(石墨烯含量低于0.5wt％)，未檢測(cè)到石墨烯與PET大分子的化學(xué)結(jié)合鍵。通過(guò)特性黏度測(cè)試表明，同一攪

5、拌功率下出料，石墨烯的加入對(duì)PET特性黏度的影響較小。當(dāng)石墨烯含量增大到0.5wt％時(shí)，復(fù)合材料的特性黏度較純PET的僅降低0.006dL/g，即石墨烯的添加對(duì)PET分子質(zhì)量的影響較小。
　　3.石墨烯的加入使復(fù)合材料中結(jié)晶晶核密度增大，結(jié)晶速率提高，結(jié)晶峰頂溫度提高。此外，石墨烯的加入提高了PET的熱穩(wěn)定性，當(dāng)石墨烯含量為0.3wt％時(shí)，石墨烯PET復(fù)合材料的外延分解起始溫度比純PET的高6.61℃，Tm提高了9.48℃，使PE

6、T在較高的溫度下便可以以石墨烯晶粒為中心開(kāi)始晶核的生長(zhǎng)。石墨烯的添加改善了PET的結(jié)晶行為，使復(fù)合材料的結(jié)晶峰變的細(xì)而窄，熔融曲線(xiàn)中出現(xiàn)了明顯的熔融雙峰。當(dāng)石墨烯含量為0.075wt％時(shí)，復(fù)合材料的Tp提高了34.2℃，ΔT降低了29.37℃。在不同降溫速率下，石墨烯/PET復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶研究表明，石墨烯起到了異相成核劑的作用，隨著石墨烯含量增大，結(jié)晶速率和結(jié)晶度提高;隨著降溫速率從5℃/min增大到30℃/min，結(jié)晶峰位置向低

7、溫方向移動(dòng)，結(jié)晶度減小，結(jié)晶速率提高。
　　4.石墨烯/PET復(fù)合材料的剪切流變性能分析表明，石墨烯的加入并不改變PET熔體的非牛頓性，仍然屬于典型的假塑性流體。但隨著石墨烯含量的增加，PET熔體的非牛頓性增強(qiáng)，流動(dòng)阻力增加，剪切黏度和剪切應(yīng)力均增大。在260℃時(shí)，純PET的剪切黏度在剪切速率為6000s-1時(shí)比750s-1時(shí)低了36.3％，當(dāng)石墨烯含量為0.1wt％時(shí)，其降低了49.8％，即石墨烯的加入使剪切速率對(duì)剪切黏度的影響