石墨烯制备、表征及其在聚合物复合材料中应用

摘要

纳米复合材料是当前材料科学领域研究热点之一,涉及多类学科,具有较大的理论和应用价值。近年来,作为碳素材料的一种新形式,石墨烯具有优良的物理和化学特性,已成为复合材料领域的一个重要研究方向。
　　 本文首先采用Hummers法氧化石墨得到氧化石墨烯(GO),并对其氧化程度以及在水中的形态和分散状况进行了表征。然后,采用溶液共混和乳液共混的方法制备得到聚合物/GO、聚合物/graphene复合材料,以期达到本体聚合物力学性能和热性能的提高,同时也研究了聚合物泡沫材料的泡孔形貌。最后,系统探讨了GO和graphene的浓度、表面改性及分散状况对材料性能的影响,并进一步考察了它们的作用机理。
　　 通过几种表征方法(如XRD、XPS等),我们可以得到:天然石墨已经被充分地氧化且剥离成GO片层。同时,它在水中的形态和分散状况可以通过肉眼观察和透射电镜得到。采用异氰酸苯酯对GO进行有机化改性,傅立叶转换红外光谱(FT-IR)分析结果表明,异氰酸苯酯与GO表面上的官能团发生了反应,从而实现了它们之间的化学连接。
　　 通过将异氰酸酯处理的GO和PS在相同溶剂(DMF)中进行溶液共混,可以复合得到PS/GO复合材料。对其形貌进行表征,结果显示GO不能很好地分散在PS母体中,导致其复合材料的热性能和力学性能都只得到轻微的提高。同理,GO在PS超临界CO2发泡中的异相成核效果也没有预期的明显。然而,GO在整个发泡过程中,确实充当了异相成核剂作用,对复合泡沫材料的泡孔尺寸和泡孔密度还是产生了一定的影响。
　　 为了提高GO片层在聚合物母体中的分散状况,论文进而阐述了一种简单制备聚合物复合材料的方法。即以阳离子的乳化剂(MAETAC)对PMMA进行修饰,将修饰后的PMMA乳液与GO水溶液共混,利用GO边缘的负电荷与乳胶粒子表面正电荷的相互作用,从而可以得到GO分散均匀的PMMA复合材料。同时,由于静电作用,GO能够在乳液中进行原位化学还原而不聚并,从而使还原后的graphene片层依然非常均匀地分散在PMMA基体中。
　　 通过差示扫描量热分析(DSC)和动态热机械分析(DMA),研究了GO和graphene片层对于PMMA材料性能的影响。对于储能模量和玻璃化转变温度,PMMA/graphene比PMMA/GO有更大程度的提高。同时,对于PMMA/graphene复合材料,其导电性随着graphene含量的递增呈现出几个数量级的增加。因此,该方法制备得到的复合材料具有良好的应用前景。