改性氧化石墨烯/炭黑/天然橡胶复合材料性能研究
发布时间：2021-06-25 18:48
本文通过改进的Hummers法制备了氧化石墨烯,并用硅烷偶联剂（KH-570）对氧化石墨烯进行了共价键改性。采用X-射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对制备的氧化石墨烯（GO）以及改性氧化石墨烯（KH-GO）进行了表征,验证功能化氧化石墨烯在复合材料中的分散性得到了提高。通过多组对照实验,通过熔融共混法与胶乳混合法制备复合材料并探究两种方法对橡胶复合材料产生的性能影响,研究了不同份数的氧化石墨烯与改性氧化石墨烯填充到天然橡胶中产生的性能差异,实验结果表明:1.通过熔融共混法制备的GO/CB/NR复合材料在力学性能方面有显著提高。当氧化石墨烯填加量为0.75Phr时,力学性能达到最佳:100%定伸应力和300%定伸应力分别提升了21%和27.5%,拉伸强度提高了34%。而当KH-GO填充量为1Phr时,KH-GO/CB/NR复合材料的力学性能达到最佳:100%定伸应力和300%定伸应力分别提升了45%和25%,拉伸强度提高了58%,且随着填加份数的增加而增加。2.通过胶乳预共混法制备的复合材料力学性能增强效果更为明显,GO/CB/NR复合材料和KH-GO/CB/NR复合材料的拉伸强度...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯通过不同的方式构成不同的维度石墨化碳的同素异形体Fig.1-1Grapheneconstitutesallotropesofgraphitizedcarbonin
改性氧化石墨烯/炭黑/天然橡胶复合材料性能研究4图1-2GO的合成和结构（a为GO可以通过氧化和剥落石墨粉，b为AFM影像和高度GO片的扫描显示约1nm的表观厚度）Fig.1-2SynthesisandstructuresofGO.(a)GOcanbesynthesizedbyoxidizingandexfoliatinggraphitepowders.(b)AFMimageandheightscanofaGOsheetshowinganapparentthicknessofaround1nm.1.2氧化石墨烯的制备氧化石墨（graphiteoxide）是利用超声分散仪、恒温磁力搅拌器、离心机等设备将鳞片石墨氧化，并震荡剥离获龋石墨的氧化过程，是用强氧化剂将羧基、羟基等含氧基团插入到石墨分子层间，形成共价键型的石墨层间化合物[37]。将石墨氧化主要有以下方法：Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法，三种方法均采用浓硫酸、硝酸以及其混合物处理鳞片石墨，然后利用强氧化剂高锰酸钾、双氧水等将插入到层间的强酸小分子进行氧化，相比于Hummers法，Brodie法以及Staudenmaier法在氧化过程中会产生有害物，不利于环境保护，因此，Hummers法是较为常用的制备方法[38]。1.2.1Brodie法Bordie[39]在0℃的温度下，采用发烟硝酸和高氯酸钾不断搅拌的条件下反应24小时，对鳞片石墨进行氧化，该方法的优点在于对于石墨的氧化程度可以控制在需要的范围内，缺点是该方法效率较低，反应时间过长，且实验过程存在一定的风险[40~42]。1.2.2Staudenmaier法
青岛科技大学研究生学位论文7图1-3显示了功能化的过程。之后有人通过对Hummers法进行修正，并使用预先以硫酸插入的膨胀石墨作为氧化材料，这样省去了化学的处理过程，最终获得的氧化石墨烯能在DFM中分散成单层的氧化石墨烯片[63]。图1-3氧化石墨烯异氰酸酯功能化示意图Fig.1-3Schematicdiagramofgrapheneoxideisocyanatefunctionalization氧化石墨烯上的环氧键也是功能化反应法活性位点，自由基反应是另一种打开π键、接上功能基团的途径。例如使用芳基重氮四氟硼盐，对经过预处理的氧化石墨烯分散液通过自由基反应能成功地获得功能化的石墨烯[65,66,67]。从功能化的工艺角度考虑，一般都要求氧化石墨烯或石墨烯在实施功能化程序之前预先被拆分成片，不然，功能化基团仅能连接在外碳层，这使功能化的产率受到极大限制。图1-4显示一种功能化流程，它直接对块状石墨实施石墨烯的共价键功能化，具有高得多的功能化效率[68]。这种工艺的独特之处在于将钾离子引入天然块状石墨的石墨烯层间。钾阳离子的溶入使石墨烯层间发生膨胀，并且由于静电排斥力的作用使得石墨烯得以分拆成片。随后，石墨烯被重氮功能化，不像氧化石墨烯制备时必要的化学处理不可避免的导致石墨烯结构受到损伤，改变其物理性质和电学性质，这种工艺能保持石墨烯固有的原子结构，因而能保持原有的优良力学性能和电学性质。
【参考文献】：
期刊论文
[1]轮胎胶料的动态力学性能研究[J]. 王若云,贺建芸,胡永康,付新华,杨卫民,谭晶. 橡胶工业. 2017(01)
[2]填充橡胶的Payne效应[J]. 刘涛,陈亚薇,刘东,杜爱华. 特种橡胶制品. 2015(06)
[3]机械共混法制备改性氧化石墨烯/天然橡胶复合材料及性能表征[J]. 汤银银,王娜,杨凤,戴采云,方庆红. 高分子材料科学与工程. 2015(09)
[4]氧化石墨烯/炭黑/乳聚丁苯橡胶纳米复合材料的性能研究[J]. 崔隽雷,刘力,毛迎燕,温世鹏,张立群. 橡胶工业. 2015(08)
[5]石墨烯的制备及应用的研究进展[J]. 陈莹莹,宓一鸣,阮勤超,阮晓栋,金言宜. 硅酸盐通报. 2015(03)
[6]多壁碳纳米管/氧化石墨烯/硅橡胶复合薄膜湿敏性能研究[J]. 潘良,孙晓君,施云波,张慧. 功能材料. 2014(19)
[7]石墨烯/橡胶纳米复合材料[J]. 唐征海,郭宝春,张立群,贾德民. 高分子学报. 2014(07)
[8]天然橡胶纳米复合材料的研究进展[J]. 李乐凡,李思东,汪志芬. 弹性体. 2011(03)
[9]氧化石墨烯在辣根过氧化物酶传感器中的应用研究[J]. 冯亚娟,魏玉萍,赵晓慧,符雪文,黄亮亮,杨华,杨云慧. 化学研究与应用. 2011(04)
[10]Hummers法制备氧化石墨时影响氧化程度的工艺因素研究[J]. 傅玲,刘洪波,邹艳红,李波. 炭素. 2005(04)
博士论文
[1]氧化石墨烯及其还原产物电学性质的扫描探针显微镜研究[D]. 李俊.湘潭大学 2016
[2]石墨烯材料的化学调控、组装及其性能研究[D]. 陈武峰.中国科学技术大学 2014
[3]石墨烯及其氧化物的表面结构和性质的调控[D]. 刘芝婷.华东理工大学 2014
[4]石墨烯的制备、表征及光电性质应用研究[D]. 许士才.山东师范大学 2014
[5]还原自组装法制备功能化石墨烯材料及其性能研究[D]. 李吉豪.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2014
[6]石墨烯的制备及相关器件的研究[D]. 王纪刚.北京交通大学 2014
硕士论文
[1]基于磨耗表面形貌表征的橡胶高温磨耗特性研究[D]. 张福顺.青岛科技大学 2019
[2]高分子—石墨烯复合材料的制备、表征及性能研究[D]. 李佩颖.郑州大学 2017
[3]NR/炭黑复合材料炭黑分散性与动态性能的关系研究[D]. 来庆存.青岛科技大学 2015
本文编号：3249752
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯通过不同的方式构成不同的维度石墨化碳的同素异形体Fig.1-1Grapheneconstitutesallotropesofgraphitizedcarbonin
改性氧化石墨烯/炭黑/天然橡胶复合材料性能研究4图1-2GO的合成和结构（a为GO可以通过氧化和剥落石墨粉，b为AFM影像和高度GO片的扫描显示约1nm的表观厚度）Fig.1-2SynthesisandstructuresofGO.(a)GOcanbesynthesizedbyoxidizingandexfoliatinggraphitepowders.(b)AFMimageandheightscanofaGOsheetshowinganapparentthicknessofaround1nm.1.2氧化石墨烯的制备氧化石墨（graphiteoxide）是利用超声分散仪、恒温磁力搅拌器、离心机等设备将鳞片石墨氧化，并震荡剥离获龋石墨的氧化过程，是用强氧化剂将羧基、羟基等含氧基团插入到石墨分子层间，形成共价键型的石墨层间化合物[37]。将石墨氧化主要有以下方法：Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法，三种方法均采用浓硫酸、硝酸以及其混合物处理鳞片石墨，然后利用强氧化剂高锰酸钾、双氧水等将插入到层间的强酸小分子进行氧化，相比于Hummers法，Brodie法以及Staudenmaier法在氧化过程中会产生有害物，不利于环境保护，因此，Hummers法是较为常用的制备方法[38]。1.2.1Brodie法Bordie[39]在0℃的温度下，采用发烟硝酸和高氯酸钾不断搅拌的条件下反应24小时，对鳞片石墨进行氧化，该方法的优点在于对于石墨的氧化程度可以控制在需要的范围内，缺点是该方法效率较低，反应时间过长，且实验过程存在一定的风险[40~42]。1.2.2Staudenmaier法
青岛科技大学研究生学位论文7图1-3显示了功能化的过程。之后有人通过对Hummers法进行修正，并使用预先以硫酸插入的膨胀石墨作为氧化材料，这样省去了化学的处理过程，最终获得的氧化石墨烯能在DFM中分散成单层的氧化石墨烯片[63]。图1-3氧化石墨烯异氰酸酯功能化示意图Fig.1-3Schematicdiagramofgrapheneoxideisocyanatefunctionalization氧化石墨烯上的环氧键也是功能化反应法活性位点，自由基反应是另一种打开π键、接上功能基团的途径。例如使用芳基重氮四氟硼盐，对经过预处理的氧化石墨烯分散液通过自由基反应能成功地获得功能化的石墨烯[65,66,67]。从功能化的工艺角度考虑，一般都要求氧化石墨烯或石墨烯在实施功能化程序之前预先被拆分成片，不然，功能化基团仅能连接在外碳层，这使功能化的产率受到极大限制。图1-4显示一种功能化流程，它直接对块状石墨实施石墨烯的共价键功能化，具有高得多的功能化效率[68]。这种工艺的独特之处在于将钾离子引入天然块状石墨的石墨烯层间。钾阳离子的溶入使石墨烯层间发生膨胀，并且由于静电排斥力的作用使得石墨烯得以分拆成片。随后，石墨烯被重氮功能化，不像氧化石墨烯制备时必要的化学处理不可避免的导致石墨烯结构受到损伤，改变其物理性质和电学性质，这种工艺能保持石墨烯固有的原子结构，因而能保持原有的优良力学性能和电学性质。
【参考文献】：
期刊论文
[1]轮胎胶料的动态力学性能研究[J]. 王若云,贺建芸,胡永康,付新华,杨卫民,谭晶. 橡胶工业. 2017(01)
[2]填充橡胶的Payne效应[J]. 刘涛,陈亚薇,刘东,杜爱华. 特种橡胶制品. 2015(06)
[3]机械共混法制备改性氧化石墨烯/天然橡胶复合材料及性能表征[J]. 汤银银,王娜,杨凤,戴采云,方庆红. 高分子材料科学与工程. 2015(09)
[4]氧化石墨烯/炭黑/乳聚丁苯橡胶纳米复合材料的性能研究[J]. 崔隽雷,刘力,毛迎燕,温世鹏,张立群. 橡胶工业. 2015(08)
[5]石墨烯的制备及应用的研究进展[J]. 陈莹莹,宓一鸣,阮勤超,阮晓栋,金言宜. 硅酸盐通报. 2015(03)
[6]多壁碳纳米管/氧化石墨烯/硅橡胶复合薄膜湿敏性能研究[J]. 潘良,孙晓君,施云波,张慧. 功能材料. 2014(19)
[7]石墨烯/橡胶纳米复合材料[J]. 唐征海,郭宝春,张立群,贾德民. 高分子学报. 2014(07)
[8]天然橡胶纳米复合材料的研究进展[J]. 李乐凡,李思东,汪志芬. 弹性体. 2011(03)
[9]氧化石墨烯在辣根过氧化物酶传感器中的应用研究[J]. 冯亚娟,魏玉萍,赵晓慧,符雪文,黄亮亮,杨华,杨云慧. 化学研究与应用. 2011(04)
[10]Hummers法制备氧化石墨时影响氧化程度的工艺因素研究[J]. 傅玲,刘洪波,邹艳红,李波. 炭素. 2005(04)
博士论文
[1]氧化石墨烯及其还原产物电学性质的扫描探针显微镜研究[D]. 李俊.湘潭大学 2016
[2]石墨烯材料的化学调控、组装及其性能研究[D]. 陈武峰.中国科学技术大学 2014
[3]石墨烯及其氧化物的表面结构和性质的调控[D]. 刘芝婷.华东理工大学 2014
[4]石墨烯的制备、表征及光电性质应用研究[D]. 许士才.山东师范大学 2014
[5]还原自组装法制备功能化石墨烯材料及其性能研究[D]. 李吉豪.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2014
[6]石墨烯的制备及相关器件的研究[D]. 王纪刚.北京交通大学 2014
硕士论文
[1]基于磨耗表面形貌表征的橡胶高温磨耗特性研究[D]. 张福顺.青岛科技大学 2019
[2]高分子—石墨烯复合材料的制备、表征及性能研究[D]. 李佩颖.郑州大学 2017
[3]NR/炭黑复合材料炭黑分散性与动态性能的关系研究[D]. 来庆存.青岛科技大学 2015
本文编号：3249752
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