聚合物-石墨烯納米復(fù)合材料制備與性能研究.pdf

1、石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，以其獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)迅速引起全世界的關(guān)注，成為各個領(lǐng)域的研究熱點。近年來，使用石墨烯作為聚合物基體的無機填充物制備聚合物基石墨烯納米復(fù)合材料極大地提升了聚合物基體的熱力學(xué)性質(zhì)，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，這方面的研究工作還處于起步階段，在材料制備方法、工藝以及結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系方面仍有許多科學(xué)問題尚需探索解決，為此，本文以聚乳酸和聚乙烯醇作為聚合物基體，以石墨烯或氧化石墨烯作為無機填充

2、物制備了聚乳酸/石墨烯納米復(fù)合材料和聚乙烯醇/氧化石墨烯納米復(fù)合水凝膠材料。開展這方面工作對設(shè)計、制備出性能優(yōu)異的新型納米復(fù)合材料有重要的指導(dǎo)作用。
　　針對聚乳酸結(jié)晶速率慢、熱穩(wěn)定性差等缺點，采用溶液共混法制備了聚乳酸/石墨烯納米復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了石墨烯對聚乳酸基體熱穩(wěn)定性和結(jié)晶性能的影響。在此過程中，石墨烯在氯仿溶液中的穩(wěn)定分散是該制備方法的關(guān)鍵。研究結(jié)果表明石墨烯可以均勻地分散在聚乳酸基體中，較低的石墨烯添加量能顯著提高聚

3、乳酸的熱穩(wěn)定性，在石墨烯添加量為0.5wt%時，聚乳酸/石墨烯納米復(fù)合材料在失重5%時的溫度值是262.1 oC，比純聚乳酸提高23.1 oC。此外，相對于純聚乳酸，納米復(fù)合材料的冷結(jié)晶峰向高溫方向移動，表明石墨烯在聚乳酸的冷結(jié)晶過程中起阻礙結(jié)晶的作用。
　　在此基礎(chǔ)上，進一步對聚乳酸/石墨烯納米復(fù)合材料進行等溫和非等溫結(jié)晶動力學(xué)研究。利用Avrami方程對聚乳酸及其石墨烯納米復(fù)合材料等溫結(jié)晶過程進行分析，發(fā)現(xiàn)石墨烯在聚乳酸基體等

4、溫結(jié)晶過程中起到了異相成核劑的作用，加快了聚乳酸的結(jié)晶速率，并且降低了聚乳酸等溫結(jié)晶活化能。此外，對聚乳酸及其石墨烯納米復(fù)合材料非等溫結(jié)晶行為研究發(fā)現(xiàn)，在相同降溫速率下納米復(fù)合材料的結(jié)晶峰向高溫移動，且半結(jié)晶時間縮短，表明石墨烯在聚乳酸的非等溫結(jié)晶過程中同樣起到了異相成核劑的作用，提高了聚乳酸的非等溫結(jié)晶速率，利用Avrami、Ozawa以及Mo的模型對聚乳酸及其石墨烯納米復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶過程進行分析，發(fā)現(xiàn)只有Mo的方法能很好的描述

5、材料的非等溫結(jié)晶過程。同時，利用Kissinger方法分析了樣品非等溫結(jié)晶的活化能，發(fā)現(xiàn)石墨烯的添加提高了聚乳酸的結(jié)晶活化能，表明石墨烯對聚乳酸的非等溫結(jié)晶過程有阻礙作用。然而，石墨烯納米復(fù)合材料的結(jié)晶速率比純聚乳酸快，這是由于在整個非等溫結(jié)晶過程中石墨烯的成核作用一直占主導(dǎo)地位，結(jié)晶形態(tài)的結(jié)果進一步證實了石墨烯異相成核的作用。
　　此外，利用冷凍解凍法制備了聚乙烯醇/氧化石墨烯納米復(fù)合水凝膠，通過重復(fù)的冷凍解凍過程，在聚乙烯醇和

6、氧化石墨烯之間形成了以分子間氫鍵為作用力的物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了實驗參數(shù)對最終水凝膠性能的影響，包括氧化石墨烯含量、氧化石墨烯片層大小，85°C下攪拌時間以及冷凍解凍循環(huán)次數(shù)。結(jié)果表明，氧化石墨烯的添加，提高了聚乙烯醇的結(jié)晶度、熱穩(wěn)定性和溶脹比。相對于片層尺寸較大的氧化石墨烯，尺寸為2μm的氧化石墨烯所形成的復(fù)合水凝膠中，氫鍵作用較強，故而形成的物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)也比較多，從而導(dǎo)致溶脹比降低。然而，在85°C下對聚乙烯醇/氧化石墨烯溶液攪拌