改性氧化石墨烯与聚氯乙烯共混材料的性能研究

摘要

在我们生活中，以聚氯乙烯（PVC）为原料制成的型材和制品无处不在，但是由于下游需求的持续疲软，PVC行业自2008年开始便出现了产能过剩现象，为了解决这个问题，迫切需要探索PVC新应用领域及性能增强的方法。近年来，石墨烯因其优异的电化学性能、机械性能及热稳定性成为研究热点，因此本文将石墨烯与PVC共混，试图将石墨烯的优异性能应用于PVC，以拓宽其应用范围。然而石墨烯结构及化学性质都非常稳定，与高分子材料难相容，但是氧化石墨烯的活性强于石墨烯，因此本论文利用氧化石墨烯表面的含氧官能团，通过3-氨基三乙氧基丙基硅烷（APTS）对其改性，在一定程度上增强了无机纳米材料在聚氯乙烯基质中的分散性，通过紫外及红外跟踪了其改性过程，并就复合材料的阻燃性、热稳定性、润湿性展开了探讨。主要工作如下：
　　①以3-氨基三乙氧基丙基硅烷为改性剂，成功将其锚定在氧化石墨烯表面，利用紫外可见吸收光谱（UV-vis）及红外光谱对不同时间段的反应产物进行了表征，跟踪了整个改性过程。红外结果表明在2929 cm-1处出现了氨基峰，随着反应的进行氨基峰越来越明显，并且在1061 cm-1处出现了明显的宽峰且随着时间的增长强度越来越强，其为Si-O-Si、Si-O-C及C-O-C的特征峰；在进行紫外可见吸收光谱测试时，由于氧化石墨烯上的羧基与改性剂的端氨基发生反应生成水，APTS遇水水解为硅醇，DCC吸水生成DCU等副反应，在268 nm处产物的吸光度值逐渐增加，当反应在28h时吸光度值基本不变，说明此时反应完全；最后，通过接枝率计算公式得到经改性后氧化石墨烯的接枝率为12.175％，结合红外可初步判断APTS是以网状结构锚定在GO表面的。
　　②利用溶液共混法制备不同含量的GO/PVC及APTS-GO/PVC纳米复合材料，并用氧指数测定仪、量热仪及场发射扫描电镜分别对复合薄膜的氧指数、燃烧热值、残炭结构进行了测定。从氧指数测定结果得到，随着含量的增加，氧指数增大，当GO含量为2.0wt%时，氧指数达到35以上，而当APTS-GO含量仅为1.5wt%时，氧指数便达到35以上，并且，当其含量为2.5wt%时，氧指数为35.8，从成本及工业化可行性考虑，APTS-GO的最佳填充量应为1.5wt%；从燃烧热值测定结果得知无论是氧化石墨烯还是改性后的氧化石墨烯的加入对PVC的燃烧热值影响都不大，PVC及复合材料的燃烧热值都在21MJ/Kg左右；复合材料燃烧后残炭的SEM图显示：经过改性，APTS-GO/PVC残炭表面结构连续紧致，气孔明显变小，对降解产物及可燃烧有毒气体的抑制作用明显增强。
　　③利用热重分析仪对纯PVC粉末、GO及APTS-GO进行了表征，TGA曲线表明PVC的分解分为两个阶段，而GO及APTS-GO的TGA曲线只有一段，其中由于GO富含-OH、-COOH及C-O-C，在较低温度下就开始快速分解，其残炭率较低，改性后的GO分解非常缓慢，残炭率相比起PVC、GO分别提高了45.963%、44.199%。而从GO/PVC及APTS-GO/PVC纳米复合材料的TGA曲线分析得到，纯PVC薄膜的初始降解温度为251.1℃，当GO含量为2.5wt%，GO/PVC复合材料的初始降解温度比纯PVC提高了4.8%，而当APTS-GO的含量为2.5wt%时，复合材料的初始降解温度相比于纯PVC提高了7.5%。此外，纯PVC薄膜在800℃以下基本降解完，其残炭率为1.73%，当GO含量为2.0wt%时，其质量损失率降至90%以下，而当APTS-GO的含量为0.5wt%时，其质量损失率便降至90%以下，且随着含量增加，其残炭率都高于10%,当APTS-GO含量2.5wt%时，残炭率比纯PVC提高了13.35%；进一步，通过复合材料的活化能考察了活化能随添加物含量变化的变化趋势，发现随着纳米添加物含量的增加，活化能增加，热稳定性增强；最终通过复合材料断面的SEM图发现测试时未改性的复合薄膜经过电子轰击后不稳定，而改性后的表面完好，经过改性，材料的稳定性增强明显，此外，还发现APTS-GO/PVC的整个断面很平整，未出现团聚现象，在PVC基质中的分散性及相容性很好，而未改性的氧化石墨烯在PVC基质中出现了明显的堆叠现象。
　　④利用接触角测定仪对GO/PVC及APTS-GO/PVC纳米复合材料表面进行接触角检测，发现随着纳米添加剂量的增大，接触角减小，润湿性越好，且当 GO及APTS-GO含量为2.5wt%时，材料的润湿性达到最好。以去离子水为检测液时，纯PVC薄膜的接触角为86.8?，当纳米添加物含量为0.5wt%时，GO/PVC复合材料的接触角为82.5?，APTS-GO/PVC的接触角为80.5?，而纳米添加剂的量增至2.5wt%时，GO/PVC的接触角降至56.1?，APTS-GO/PVC复合材料的接触角降至48.4?。以两液法及三液法对纳米复合材料的表面自由能计算时，发现两种方法得到的趋势一致，都是随着含量的增加，自由能增大，液体润湿性越强。

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1 绪 言

1.1 引言

1.2 石墨烯及石墨烯的制备

1.3 石墨烯的性能及应用

1.4 氧化石墨烯的表面化学反应在聚合物中的应用

1.5 石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备

1.6 石墨烯基聚合物的性能测试及应用

1.7 本论文研究的主要目的、内容及方法

23-氨基三乙氧基丙基硅烷修饰氧化石墨烯及其过程的跟踪

2.1 引言

2.2 实验内容

2.3 结果与讨论

2.4 本章总结

3 氧化石墨烯/聚氯乙烯纳米复合材料的制备及阻燃性能研究

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3 结果与讨论

3.4 本章总结

4 石墨烯基聚氯乙烯纳米复合材料的热稳定性研究

4.1 引言

4.2 实验内容

4.3结果与讨论

4.4 本章总结

5 接触角检测及复合材料润湿性的研究

5.1 引言

5.2 实验内容

5.3结果与讨论

5.4 本章总结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录