石墨烯/PVC纳米复合材料的制备与结构性能研究

摘要

近年来，石墨烯因优异的力学、热学及其电学性能而成为材料领域研究的热点。目前，制备石墨烯/聚合物纳米复合材料的方法主要以下有三种：熔融复合法、原位聚合法和溶液复合法。工业上常采用熔融复合法制备石墨烯/聚合物纳米复合材料，但是由于石墨烯难分散的问题，其在聚合物工业化领域的应用依然受限。作为世界通用的五大合成树脂之一的聚氯乙烯（PVC），用途非常广泛，但在某些领域的应用其性能还显得有些不足。因此，为了解决石墨烯在聚合物中难分散的问题，同时进一步提高PVC的性能，本论文将石墨烯/PVC纳米复合材料作为研究对象，对其制备、结构性能及工业可行性进行了研究。研究的主要内容及结论如下：
　　采用Hummers法，并对其进行超声分散的方法制备出氧化石墨烯，然后采用水合肼进行还原。结果表明，石墨被氧化，并且成功引入大量含氧官能团；本实验制得的氧化石墨烯层间距较大，更易剥离；水合肼能对氧化石墨烯有效还原。
　　通过乳液共凝聚的方法制备了预分散的石墨烯/羧基丁腈橡胶纳米复合材料，采用透射电镜表征了石墨烯在XNBR中的分散性，研究了pH值对XNBR乳液和石墨烯的水相分散液 Zeta电位的影响，凝聚剂种类，凝聚温度、搅拌速率以及石墨烯和XNBR胶乳质量比对共凝聚过程的影响规律。结果表明：在pH值为2~10时，XNBR乳液和石墨烯的水相分散液的Zeta电位均为负值，不加凝聚剂无法使两种粒子凝聚；CaCl2和Al2(SO4)3具有较好的共凝聚效果；随着搅拌速率的提高，共凝聚粒子的粒径逐渐变小，当搅拌速率达到300r/min时，形成粒径较小且均匀的共凝聚粒子。同时发现，调节温度可控制共凝聚粒子的粒径大小。
　　将上述石墨烯/羧基丁腈橡胶纳米复合材料作为母粒，与PVC通过熔融复合制备出石墨烯/PVC纳米复合材料，并研究了石墨烯含量对石墨烯/PVC纳米复合材料拉伸强度、硬度、电性能和热稳定性能的影响，结果表明：相比于直接熔融复合法，石墨烯/PVC纳米复合材料的机械性能、热性能以及导电性均明显提高。石墨烯含量为0.05％时，石墨烯片层在PVC中充分分散，形成导电通路，当含量达到1%时，复合材料的电导率由2.74×10-15 S/cm提高到1.06×10-6S/cm。
　　本文首先采用乳液共凝聚制备预分散的母粒，然后熔融复合的方法不仅明显提高
　　了PVC的力学性能、热学性能及其电学性能，还有效地解决了石墨烯难分散的问题，为石墨烯在聚合物领域的工业实际生产化应用提供了一定的实验和技术基础。

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前言

第一章 绪论

1.1 石墨烯的研究

1.2 石墨烯/PVC纳米复合材料

1.3 乳液共凝聚技术

1.4 课题的主要研究内容

第二章 氧化石墨烯的制备与还原

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 石墨烯在羧基丁腈橡胶中的分散性研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 乳液共凝聚法制备石墨烯/羧基丁腈橡胶纳米复合材料

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 石墨烯/PVC纳米复合材料的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 全文主要结论、创新点及后期工作建议

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 下一步的工作建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及申请的专利