纳米碳材料的制备及其聚合物纳米复合材料

摘要

碳元素在自然界及人类生活中往往扮演着十分重要的角色。由碳元素组成，或形成的多种多样的存在形态在许多方面都有着不可或缺的应用。随着纳米技术的发展，不同维度的纳米炭材料，如富勒烯，炭纳米管，洋葱炭，纳米炭纤维，石墨烯等因其各自独特的结构特点，具备了在材料的力学，光学，电学，磁学等领域引起人们的强烈关注。而在这其中，对纳米炭材料制备的探索，更是被认为是整个炭材料领域的基础及核心。针对不同的性能要求，实现对纳米炭材料的可控制备成为当今科研人员努力的方向之一。
　　 高分子材料，因其种类多，质量轻，易加工等特点，是目前材料领域的一个重要组成部分。而为了进一步改善（或丰富）聚合物的性能，制备聚合物复合材料成为十分有效的途径之一。以纳米炭材料为填料，通过有效控制其结构及分散状态，可以在填充量极低的情况下得到性能卓越的纳米复合材料。这样对于保持聚合物的力学性能，降低生产成本等方面具有重要意义。本论文主要对不同维度的纳米炭材料的制备及其与聚合物复合得到的纳米复合材料的制备及性能进行了阐述，主要内容包括:
　　 1)固相生长纳米炭纤维。通过一种十分简单易行的方法，成功实现了由固相的炭材料，如人造石墨，活性炭，乙炔黑等生长成为具有大长径比的纳米炭纤维。得到的纳米炭纤维直径基本上在50-80 nm左右，具有典型的核-壳结构。该制备方法中存在两个直接影响成败的重要因素，对炭源的氧化处理及炭化温度。固相炭源在氧化处理过程中混乱程度得到提高，并且表面被引入大量含氧官能团。这两点对于固相炭源参与纳米炭纤维的生长都是有利的。而此体系中的炭化温度要接近金属催化剂的熔点。由此可以增大固相炭源与金属催化剂的接触，提高催化活性。该方法因其在固相炭材料中广泛的普适性，揭示了炭材料固相转变的机理，这对于可控制备纳米炭材料是十分必要的。
　　 2)在一维纳米炭材料的基础上，通过对氧化，剥离天然石墨的氧化石墨进行溶剂热还原，得到了二维纳米炭材料，石墨烯。而且，在溶剂热还原体系中，所得到的石墨烯具有还原程度可控，缺陷密度可控，功能化程度可控等优点。通过比较不同结构的石墨烯的储锂性能，详细考察了石墨烯在溶剂热还原的结构演变过程。并且，由此得到的石墨烯因其表面悬挂键的存在，是良好的固相生长纳米炭纤维的炭源。通过在石墨烯上生长纳米炭纤维，实现从二维向一维的固相转变，并且原位制备了不同维度纳米炭材料掺杂的复合材料。以二维纳米炭材料，石墨烯为填料，制备了多功能的聚乳酸纳米复合材料。溶剂热还原得到的石墨烯在聚合物体系中表现出良好的导电性能与力学性能。
　　 3)聚乳酸作为一种重要的生物材料，我们通过使用“绿色”无毒的生物还原剂，葡萄糖，赋予了其更加良好的导电性能。以氧化石墨烯为起点，我们考察了葡萄糖，聚乙烯吡咯烷酮这两种化学还原剂对氧化石墨烯结构，导电性能的影响。此外，还考察了在制备纳米复合材料过程中的热压工艺对氧化石墨烯的影响。结果表明，对于氧化石墨烯而言，葡萄糖是一种十分有效的还原剂，它对氧化石墨烯导电性能的提高具有突出的贡献。而且，由葡萄糖还原得到的石墨烯可以保持良好的分散效果。经葡萄糖还原得到的石墨烯/聚乳酸纳米复合材料，填料含量为1.25 vol.％时，复合材料的电导率达到了2.2 S·m-1。因此，这一制备方法对于导电生物材料的应用提供了一定的参考价值。

目录

声明

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摘要

第一章 绪论

1．1 纳米炭材料简介

1．1．1 1D纳米炭材料-CNTs与CNFs的制备

1．1．2 1D纳米炭材料的固相生长

1．2 石墨烯简介

1．2．1 石墨烯的制备方法

1．3 氧化石墨烯概述

1．3．1 对石墨氧化的研究背景

1．3．2 氧化石墨烯的结构模型

1．3．3 氧化石墨烯的还原

1．4 石墨烯／聚合物复合材料

1．4．1 石墨烯基／聚合物复合材料的力学性能

1．4．2 石墨烯基／聚合物导电纳米复合材料

1．4．3 石墨烯填充的高导热复合材料

1．4．4 其他

1．5 本课题的立题依据和主要研究内容

1．5．1 论文选题的目的和意义

1．5．2 本课题的主要研究内容

第二章 固相生长纳米炭纤维

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 本章所用原料

2．2．2 本章所用主要试剂

2．2．3 本章实验所用的主要仪器及设备

2．2．4 实验步骤

2．2．5 样品表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 对固相生长得到的CNFs的形态表征

2．3．2 固相生长过程中的重要影响因素

2．3．3 固相生长机理

2．4 本章小结

第三章 溶剂热还原氧化石墨烯

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 本章所用到的化学试剂及原料

3．2．2 实验所用设备及测试仪器

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 微观形态表征

3．3．2 从GO还原成SRFG的结构演变

3．3．3．石墨烯的电导率

3．3．4．回流时间对石墨烯电化学性能的影响

3．3．5．不同维度纳米炭材料的固相转变

3．3．5 聚乳酸／SRFG纳米复合材料

3．4 本章小结

第四章 氧化石墨烯的还原及其聚乳酸导电纳米复合材料

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 本章所用原料

4．2．2．实验所用设备及测试仪器

4．2．3 实验步骤

4．3 结果与讨论

4．3．1 结构变化表征

4．3．2 不同还原过程对导电性能的影响

4．3．3 石墨烯基／PLA纳米复合材料

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

发表的学术论文及研究成果

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