石墨烯杂化物、纳米管材料的制备及其聚合物复合材料热性能与阻燃性能研究

发布时间：2017-04-20 11:04

  本文关键词：石墨烯杂化物、纳米管材料的制备及其聚合物复合材料热性能与阻燃性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为二维纳米材料的石墨烯具有很多优异的性能,其与聚合物构成的纳米复合材料也应用于材料科学的各个领域。石墨烯及其衍生物能够对聚合物的阻燃性能产生影响。本文在结合石墨烯与氧化镍形成杂化物进行阻燃研究的同时,也进一步研究了石墨烯-氧化镍杂化物与碳纳米管,二氧化钛纳米管和氧化锌纳米管的复配协同效应。将纳米材料添加到环氧树脂(EP),聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)中研究其分散性,热稳定性和阻燃性能。相关研究内容如下：1.通过共沉淀法制备了石墨烯-氧化镍(GNS-NiO)杂化材料,通过化学改性法将碳纳米管酸化,采用水热法分别制备了二氧化钛纳米管(TNT)和氧化锌纳米管(ZNT)。然后通过溶液共混法将这些纳米填料通过一定的比例添加到环氧树脂基体当中。作为对比,分别制备了相同含量不同配方的纳米复合材料。通过XRD,拉曼光谱分析,透射电子显微镜,扫描电子显微镜对石墨烯杂化物与纳米管材料的形貌和结构,以及它们在基体中的分散性进行表征,表明石墨烯表面的氧化镍能够提高石墨烯的剥离度,防止团聚,提高分散性。纳米材料在聚合物中的良好的分散性以及较强的界面相互作用能够提高复合材料的力学性能,也能够提高在高温下或火灾场景中的安全性能。添加单一的纳米组分如只添加石墨烯及其杂化物或纳米管材料都有助于提高材料的热稳定性,而对于协效复配体系,纳米复合的GNS-NiO/CNT/EP材料的最大热分解温度为379℃,这比添加单一的GNS-NiO和CNT得到的数值都大,说明石墨烯-氧化镍杂化物和碳纳米管二者之间有一定的协同效应,同时复合材料的最大热分解速率的降低也说明了这一点。相对于其他的填料,ZNT的添加能够显著提高残炭量,复配体系的残炭量相比于纯的EP提高了12%。Cone的结果表明添加的GNS-NiO使阻燃体系的PHRR降低了40%,THR降低了29%。这是因为氧化镍能够催化成炭,阻碍材料的热释放。而同时添加GNS-NiO和TNT的体系却使材料的热释放峰值降低了61%,使材料的THR降低了41%。这表明在EP基体中,GNS-NiO与TNT起到了协效作用,能够获得比添加单一的纳米材料更好的效果。2.用溶液共混法制备了PP纳米复合材料,用SEM断面扫描,研究了其分散性,热重分析仪和锥形量热仪分别分析了PP纳米复合材料的热稳定性和阻燃性能。可以发现,纳米填料在PP体系中的分散状况良好,氧化镍的添加能够有效防止石墨烯团聚。纳米填料与PP之间也有一定的界面相互作用。热重分析结果可知,GNS-NiO与CNT之间存在着一定的协效作用,复配协效体系的效果比分别添加的效果更为突出。而对于GNS-NiO/TNT/PP体系和GNS-NiO/ZNT/PP复合体系,其协同作用效果不太明显,但都从一个或几个方面提高了复合物体系的热稳定性。锥形量热结果可知,无论是单独添加石墨烯杂化物或纳米管材料还是杂化物与纳米管材料的复配协效体系,都能够降低PP的热释放速率,提高其火安全性,而协效体系能够取得更好的效果。表明纳米材料之间的协同效应能够有效改善聚合物的阻燃性能,纳米阻燃协效体系的应用能够拓宽聚合物阻燃的发展方向。3.通过溶液共混法制备了PS纳米复合材料,采用SEM得到了了PS在液氮中脆断的断面图像,研究了石墨烯-氧化镍杂化物以及纳米管材料在复合材料中的分散性,结果表明,石墨烯-氧化镍杂化物在PS中的分散状况良好,纳米管材料在PS中也有良好的分散性,且断面处的纳米管在断裂时表面的不规则突起表明在复合材料脆断时,纳米管材料能够起到增强聚合物的作用,阻碍断裂的发生。而协效的GNS-NiO与纳米管材料的共混不影响其分散性。碳纳米管的添加能提高PS基体的热稳定性,而加入TNT的结果与CNT类似,但提升效果不明显,从残炭量的角度,可以看出加入TNT能够使残炭量增加,说明TNT对PS具有催化成炭的作用。而加入的ZNT使PS复合物的初始分解温度降低了26℃,这可能是由于ZNT能够催化聚苯乙烯提前降解,其残炭量也比纯的PS要高,且最大质量损失速率相比于纯的PS也有所降低。而复配的GNS-NiO/ZNT体系相比于单独添加ZNT的复合材料的效果略有提升,残炭量提升尤为显著。相比于添加单一的纳米管材料,协效体系的热释放速率峰值和总热释放更低。其中,GNS-NiO/CNT/PS纳米复合材料的PHRR是所有材料中最低的。石墨烯-氧化镍杂化物与纳米管材料的阻燃协效体系虽然不一定都能达到最优的效果,但总体来说,相比于单独添加的纳米管或者石墨烯而言,GNS-NiO与纳米管的协效作用能够更加明显的降低热释放速率峰值和总热释放。
【关键词】：石墨烯杂化物 碳纳米管 二氧化钛 氧化锌 协效作用
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 石墨烯概述12-17
• 1.2.1 石墨烯的制备13-15
• 1.2.2 石墨烯的物理化学性能15-16
• 1.2.3 石墨烯的改性16-17
• 1.3 一维纳米管材料17-19
• 1.3.1 碳纳米管17-18
• 1.3.2 金属氧化物纳米管18-19
• 1.4 纳米复合材料的制备和应用19-21
• 1.4.1 纳米复合材料简介19
• 1.4.2 聚合物纳米复合材料的制备19-20
• 1.4.3 聚合物纳米复合材料的性能及应用20-21
• 1.5 本论文研究思路,意义和研究内容21-23
• 1.5.1 研究思路及意义21
• 1.5.2 研究内容21-23
• 参考文献23-30
• 第二章 石墨烯杂化物/纳米管材料/环氧树脂纳米复合材料的制备及性能研究30-44
• 2.1 引言30
• 2.2 实验部分30-32
• 2.2.1 实验原料30-31
• 2.2.2 石墨烯-氧化镍杂化物的制备31
• 2.2.3 酸化碳纳米管的制备31
• 2.2.4 二氧化钛纳米管(TNT)的制备31
• 2.2.5 氧化锌纳米管(ZNT)的制备31-32
• 2.2.6 制备GNS-NiO/纳米管/EP纳米复合材料32
• 2.2.7 仪器与表征32
• 2.3 结果与讨论32-40
• 2.3.1 纳米材料的结构和形貌表征32-35
• 2.3.2 纳米材料在EP中的分散性35-37
• 2.3.3 GNS-NiO/纳米管/EP纳米复合材料的热稳定性研究37-39
• 2.3.4 石墨烯杂化物/纳米管/EP纳米复合材料阻燃性能研究39-40
• 2.4 本章小结40-42
• 参考文献42-44
• 第三章 石墨烯-氧化镍/纳米管/PP纳米复合材料的制备及其阻燃性能研究44-52
• 3.1 引言44
• 3.2 实验部分44-45
• 3.2.1 实验原料44
• 3.2.2 石墨烯-氧化镍杂化物及纳米管材料的制备44-45
• 3.2.3 石墨烯-氧化镍/纳米管/PP纳米复合材料的制备45
• 3.2.4 仪器与表征45
• 3.3 结果与讨论45-50
• 3.3.1 纳米材料在PP中的分散性45-46
• 3.3.2 GNS-NiO/纳米管/PP纳米复合材料的热稳定性46-48
• 3.3.3 GNS-NiO/纳米管/PP纳米复合材料的阻燃性能48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 参考文献51-52
• 第四章 石墨烯-氧化镍/纳米管/PS纳米复合材料的制备及性能研究52-60
• 4.1 引言52
• 4.2 实验部分52-53
• 4.2.1 实验原料52
• 4.2.2 石墨烯-氧化镍杂化物与纳米管材料的制备52
• 4.2.3 石墨烯-氧化镍/纳米管/PS纳米复合材料的制备52-53
• 4.2.4 仪器与表征53
• 4.3 结果与讨论53-57
• 4.3.1 纳米材料在PS中的分散性53-54
• 4.3.2 GNS-NiO、纳米管材料与PS纳米复合物的热稳定性54-56
• 4.3.3 GNS-NiO/纳米管/PS纳米复合材料的阻燃性能56-57
• 4.4 本章小结57-59
• 参考文献59-60
• 第五章 全文总结、创新之处及下一步工作展望60-64
• 5.1 全文总结60-61
• 5.2 论文的创新之处61-62
• 5.3 论文的不足之处62
• 5.4 下一步工作展望62-64
• 致谢64-66
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文66

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本文编号：318512