氧化鋅改善聚氯乙烯-石墨烯-碳納米管復(fù)合材料界面相互作用的研究.pdf

1、眾所周知，兩種新型的納米碳素材料：多壁碳納米管（MWCNTs）和石墨烯（Graphene）因其奇特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)國(guó)外研究的熱點(diǎn)。例如，由只有碳原子構(gòu)成的單原子厚度的Graphene因其優(yōu)越的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等性能，成為物理、化學(xué)、生物、材料、電子、能源和信息技術(shù)等領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。MWCNTs和Graphene廣泛應(yīng)用于聚氯乙烯（PVC）復(fù)合材料中，使得聚合物復(fù)合材料具有出色的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)等性能。然而，G

2、raphene和MWCNTs容易在聚合物中團(tuán)聚以及與聚合物之間弱的界面相互作用等問(wèn)題亟待解決?；w中的分散狀態(tài)和填料-基體間的界面相互作用是決定PVC復(fù)合材料最終性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素。本文重點(diǎn)研究這兩種納米碳素材料在基體中的分散以及界面相互作用。
　　為了解決以上問(wèn)題，本論文以氧化石墨烯（GO）和酸處理的MWCNTs為起點(diǎn)，通過(guò)對(duì) MWCNTs和 Graphene進(jìn)行表面修飾以增加其極性，以便提高其在PVC基體中的分散以及界面相互作

3、用。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　?。?）將石墨鱗片通過(guò)Hummers法制備出了GO，在水熱條件下，再通過(guò)“一鍋法”成功制備出了還原氧化石墨烯-氧化鋅（rGO-ZnO）混合物。為了與此做對(duì)比，我們用簡(jiǎn)單物理共混法制備了同樣配比的石墨烯納米片/氧化鋅混合物（GNPs/ZnO）。通過(guò)運(yùn)用X射線衍射（XRD）、光致發(fā)光譜（PL）、原子力顯微鏡（AFM）、電化學(xué)測(cè)試、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）來(lái)測(cè)試分析rGO-Zn

4、O與GNPs/ZnO的結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明，rGO-ZnO混合物中。ZnO存在于rGO表面與層間，并且兩者之間相互作用很強(qiáng)，也使得rGO有了一定的極性，能很好地分散在四氫呋喃（THF）中，從而與聚合物基體有很好的相容性。
　?。?）通過(guò)溶液共混法制備了PVC/rGO-ZnO和PVC/GNPs/ZnO復(fù)合材料，為了研究它們的負(fù)載效應(yīng)，各自制備了填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5 wt％，10 wt%，15 wt%和20 wt%的復(fù)合材料。通過(guò)運(yùn)用

5、差示掃描量熱法（DSC）、接觸角測(cè)量、掃描電子顯微鏡（SEM）和萬(wàn)能力學(xué)拉伸試驗(yàn)來(lái)分析PVC/rGO-ZnO和PVC/GNPs/ZnO復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明，在15 wt%含量的rGO-ZnO混合物添加下，與純PVC相比，拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別提升了35%和41%。機(jī)械性能的提升主要是由于填料-基體間強(qiáng)的相互作用，這是通過(guò)ZnO“橋”的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即ZnO與rGO間的p-π疊合效應(yīng)和靜電吸引力，以及與PVC鏈間的靜電吸引/氫鍵

6、作用。高的界面相互作用也有助于納米顆粒在PVC基質(zhì)均勻地分散，并且增加了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。
　?。?）以硝酸處理過(guò)的MWCNTs為起點(diǎn)，GO作為表面活性劑，在水熱條件下，用“一鍋法”制備出了多壁碳納米管-還原氧化石墨烯-氧化鋅3D混合物（MWCNTs-rGO-ZnO），為了與其作對(duì)比，也制備出了相同配比的多壁碳納米管-還原氧化石墨烯混合物（MWCNTs-rGO）和還原氧化石墨烯-氧化鋅混合物（rGO-ZnO）。通過(guò)運(yùn)用X射線

7、衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、熱重分析（TGA）和透射電子顯微鏡（TEM）來(lái)測(cè)試分析它們的結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明。MWCNTs-rGO-ZnO混合物中，由于ZnO的存在，三者相互作用很強(qiáng)，在有機(jī)溶劑中分散較好，極性得到了增強(qiáng)，從而與聚合物基體有較好的相容性。
　?。?）通過(guò)溶液共混法制備了 PVC/ MWCNTs-rGO-ZnO，PVC/rGO-ZnO和PVC/MWCNTs-rGO復(fù)合材料，為了研究它們的負(fù)載效應(yīng)，各自制

8、備了填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1 wt%，0.5 wt%，1 wt%，2 wt%，3 wt%和5 wt%的復(fù)合材料。通過(guò)運(yùn)用熱重分析（TGA）、差示掃描量熱法（DSC）、拉曼（Raman）、掃描電子顯微鏡（SEM）和萬(wàn)能力學(xué)拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)試分析它們的結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明。MWCNTs-rGO-ZnO與PVC之間形成了強(qiáng)的界面相互作用，促使形成良好的分散，顯著地提高復(fù)合材料的性能，如拉伸強(qiáng)度的最大增幅30%，楊氏模量最大增幅為60%，導(dǎo)電性能及