石墨烯-碳纳米管三维纳米材料的构筑及其与聚芳醚腈复合材料研究

发布时间：2020-05-23 18:38

【摘要】：聚芳醚腈(PEN)作为一类新型工程树脂,其分子结构中含有的氰基及苯基等刚性基团赋予了聚芳醚腈以优异的力学性能、电学性能、耐化学腐蚀性能、无毒性能等,有望在军工、航空航天、电子等领域发挥重要作用。本文采用的是邻苯二甲腈封端的可交联型聚芳醚腈,其在低温下表现出优异的热塑性聚合物性能,高温热处理之后则转变成热固性聚合物(CPEN),展现出优异的热稳定性能。石墨烯和碳纳米管(CNT)作为典型的一维和二维碳纳米材料,两者都具有优异的导电性。使用石墨烯或CNT与聚合物制备复合材料,可以有效改善聚合物材料的电学性能、力学性能、热稳定性以及阻燃性等。但是石墨烯或CNT分散性较差,与聚合物基体之间的界面作用力也不强,这一定程度的阻碍了碳材料发挥出其优异的性能。本文中使用氧化石墨烯(GO)这一前驱体来还原制备石墨烯,GO片层的表面和边缘上含有大量环氧基团、羟基、羧基和羰基在内的含氧官能团,这些含氧官能团的存在使GO具有很好的亲水性,从而能够在很多溶剂中表现出良好的分散性,同时这些含氧官能团还有利于对GO进行表面化学修饰,从而制备功能化的石墨烯材料。本文采用邻苯二甲腈封端的聚芳醚腈作为聚合物基体,利用GO薄片结构和CNT的管状结构,通过物理或化学修饰的方法,构造具有三维网络结构的石墨烯-碳纳米管与聚芳醚腈的复合材料(在制备过程中通过热还原或者化学还原的方式还原GO得到石墨烯),这其中对石墨烯和CNT的表面化学修饰可以有效地改善碳材料与聚合物基体分子的界面作用,进而提高其在聚合物基体中的分散性,从而提高复合材料的力学、介电和热稳定性能。本文主要研究内容如下:(1)首先,在还原剂作用下,GO和酸化CNT先通过自组装构建具有三维网络结构的CNT-rGO泡沫,再将其浸渍在PEN融于NMP的稀溶液,使PEN充分浸入三维泡沫,最后再通过热压成型工艺得到具有三维网络结构的石墨烯-碳纳米管与聚芳醚腈的复合材料(CNT-rGO/CPEN)。SEM测试显示碳材料很好的分散在基体树脂中,复合材料的导电性能因此也得到有效地提升。(2)先利用3-氨基苯氧基邻苯二甲腈(3-APN)对GO和酸化CNT进行表面化学修饰制备得到氰基功能化的GO-CN和CNT-CN,然后与三氯化铁一起经过溶剂热反应后得到具有三维网络结构的杂化材料Fe_3O_4-CNT/GS,再与聚芳醚腈复合制备了(Fe_3O_4-CNT/GS)/PEN复合材料,并采用FT-IR、XPS、XRD、SEM等测试方法对氰基化的GO-CN、CNT-CN和Fe_3O_4-CNT/GS以及它们在聚芳醚腈中的分散状态进行了系统表征,并且比较了交联前后复合材料的性能变化。综上,复合材料的介电性能,热稳定性,力学性能均有大幅度提升。(3)相对于前两种先构筑三维结构填料后复合的方法,本节将采用复合的同时在聚合物基体中原位构筑三维杂化填料,制备复合材料。本章节通过紫外、TGA、SEM等测试验证了Zn~(2+)可以络合GO和酸化CNT形成GO-Zn-CNT之后,筛选出Zn~(2+)的最佳的添加量为Zn~(2+)/C=0.01 mmo L/mg(Zn~(2+)的摩尔质量与碳材料的总质量比),再利用筛选出的Zn~(2+)量在PEN溶液中络合GO和酸化CNT得到具有三维网络结构的复合材料PEN/GO-Zn-CNT,并在230 ~oC和320 ~oC处理分别得到PEN/GS-Zn-CNT和CPEN/GS-Zn-CNT。与纯的聚芳醚腈相比,GO-Zn-CNT添加量为2 wt%时的CPEN/GS-Zn-CNT的玻璃化转变温度、介电性常数、拉伸强度分别提高了18%、181%、27%。
【图文】：

示意图,聚芳醚腈,缩聚合,亲核取代

2图 1-2 聚芳醚腈亲核取代缩聚合成机理示意图如表 1-1 所示，以间苯（RS）、对苯 (HQ)、2，7-萘二酚 (ND)合成的聚芳较高的熔点，这是由于这几种结构的聚芳醚腈的分子链段结构规整，结晶成的。以联苯二酚 (BP)、2，，7-萘二酚 (ND)、酚酞 (PP)、酚酞啉 (PPL(BPS)、9，9-二（4-羟基苯基）Tk吨 (BHPX)和 4-（4-羟基-苯基）-2H-二1-酮（DHPZ）这几类二元酚合成的聚芳醚腈具有较高的玻璃化转变温度（oC 以上），造成这样结果的原因是由于这类二元酚的特殊结构会使合成的主链具有较强的刚性，从而分子链段间运动需要的能量就更高。上述不同性能的聚芳醚腈使其能够满足不同需求的应用。

示意图,石墨,示意图,单原子层

4图 1-4 石墨烯示意图hene）作为一类具有单原子层厚度的二维平面 1-4 所示，石墨烯同时具备了在光、电、热、研工作者的广泛研究兴趣。至今石墨烯作为合材料、传感器、新能源等学科取得了举世
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TB332

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