氧化石墨烯的尺寸分离及其在纤维和气凝胶中的应用研究

发布时间：2020-03-22 11:56

【摘要】：氧化石墨烯(GO)由于其独特的性质,在气凝胶、复合纤维、生物传感器、和导电电极等领域得到了广泛的应用。随着对GO应用领域深层次拓展与延伸,科研工作者们发现宽尺寸分布的GO已经无法满足更高的应用要求,因此制备窄尺寸分布的GO已成为当前热门研究课题。受目前尺寸分级技术水平的限制,现有的方法仍无法简便且高效地获得较窄尺寸分布的GO。在前人研究的基础上,本论文介绍了一种简单易行的分级不同尺寸GO的循环流方法,并对分级后的GO主要进行了两方面的应用研究。一是小尺寸GO(SGO)与己内酰胺原位聚合后,在尼龙6(PA6)中具有良好分散性,所制备的纤维具有较高的抗拉强度和韧性。另一个应用是由大尺寸GO(LGO)制备的类蜂窝状气凝胶具有优异的吸附、过滤及再生性能。本文的主要研究内容如下:1、利用金属与酸性GO分散液发生置换反应生成的氢气(H2),在管式分级装置内形成循环流,在循环过程中分级不同尺寸的GO。未分级的GO(CGO)通过循环流分级后,被大致分为三个尺寸范围:LGO(20μm),中尺寸GO(MGO,2-20μm),SGO(2μm)。X射线光电子能谱(XPS)显示LGO含有较少的含氧基团,相比于MGO,SGO和CGO,其结构更完整。2、以不同尺寸的GO与己内酰胺(CPL)进行原位聚合,接枝PA6的GO(g-GO)和CPL直接开环聚合所得的PA6复合形成PA6/g-GO复合物,并采用熔融纺丝制备PA6/g-GO复合纤维。结果表明,以g-GO作为增强材料能够提高PA6复合纤维的强度和韧性,而且复合纤维中g-GO的分散性随GO尺寸的减小而提高。特别是,接枝PA6的SGO(g-SGO)在PA6/g-SGO复合物中的分散性优于其他尺寸的g-GO在对应的PA6/g-GO复合物中的分散性,使PA6/g-SGO(SPA)复合纤维具有更好的抗拉强度和韧性。3、以不同尺寸GO作为制备气凝胶的原料,分别通过水热法和冷冻干燥法制备还原的GO气凝胶。结果表明,由LGO制备的气凝胶对强氧化剂和油脂具有较强的吸附能力。4、以LGO为原料并掺杂表面修饰后的电气石粉末,通过直接冷冻法制备类蜂窝状孔结构的气凝胶,并研究了它的成型机理、PM2.5过滤和吸附效率以及再生性能。结果表明,掺杂表面修饰的纳米级电气石颗粒(mTNPs)的LGO气凝胶(LTA),具有一定的抗压和形变恢复能力。LTA作为过滤材料可以明显地提高对PM2.5的过滤效率,当mTNPs含量为5wt%,气凝胶在第一个过滤周期中对PM2.5的过滤效率高达95.1%。更重要的是,简单的再生处理后,气凝胶可以循环过滤PM2.5并保持较高的过滤效率。
【图文】：

氧化石墨,结构示意图,含氧基团

ＧＯ是一种表面功能化的石墨烯。ＧＯ和石墨烯一样，一般都是单层或者寡逡逑层二维结构。但是，由于经过氧化的过程，ＧＯ表面多少含有一些孔洞缺陷，在逡逑其缺陷处及其ＧＯ片层边沿通常含有大量的含氧基团，如图１－２所示。ＧＯ表面逡逑主要分布着环氧基团、羰基和羟基，而在ＧＯ的边缘包括空洞缺陷处分布着大量逡逑竣基和羟基。由于这些含氧基团的存在，使得ＧＯ具有很好的分散性和亲水性，逡逑可以直接或者间接地和大部分聚合物相容，从而提高复合材料的综合性能［１Ｇ６］。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＧＯ逡逑图１－２氧化石墨烯的结构示意图逡逑３逡逑

示意图,氧化溶液,石墨表面,裂纹扩展

相互作用能量的波动，找到了以弹性应变能之间的能量平衡来控制每个单元ＧＯ逡逑尺寸大小的方法。ＧＯ在平面方向上有效裂纹扩展速率是远小于ＧＯ边缘到中心逡逑的氧化速率，ＧＯ片层裂纹的生长速度决定了邋ＧＯ尺寸的大小，如图１－４所示。逡逑另外，通过流体运动或超声处理，释放积累的拉伸应力可以进一步减小ＧＯ的尺逡逑寸。经过“交叉平行氧化”处理，ＧＯ的尺寸分布变窄，，Ｓ卩“交叉平行氧化”处理利逡逑于得到窄尺寸分布的ＧＯ。逡逑Ｖ－ｖ逦Ｘ逡逑八？、Ｃｒａｃｋ邋ｔｉｐ＇逦ｙ逡逑？邋－逡逑■逦逦邋Ｊ逡逑＾＾７二：：：一：：一一逦—０．３４邋ｎｍ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｃｒａｃｋ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑ｄｕｒｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｏｘｉｄａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ｇｒａｐｈｉｔｅ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｉｍｍｅｒｓｅｄ邋ｉｎ邋ａｎ邋ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ＾１２０＇逡逑图１－４邋“交叉平行氧化”法制备的ＧＯ中浸润氧化溶液的石墨表面的裂纹扩展逡逑和渗透的示意图［１２°］逡逑６逡逑
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;O648.17

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