氧化石墨烯的化学改性及其在高分子共混中的应用

发布时间：2017-09-25 03:42

  本文关键词：氧化石墨烯的化学改性及其在高分子共混中的应用

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【摘要】：石墨烯(Graphene)是由一层碳原子构成的二维平面薄膜,为现在已知的最薄材料。氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)作为石墨烯的前驱体,是石墨经过氧化、剥离后得到的单分子层状物质,经过还原可以得到石墨烯。石墨烯和氧化石墨烯都具有比表面积大、综合性能优良的特点,但氧化石墨烯与石墨烯不同的是它带有很多含氧官能团,有利于其与聚合物之间的相互作用,也更容易进行化学修饰,在各种应用领域中是比较理想的原材料。研究证实,氧化石墨烯的边缘含有羧基且基面分布着羟基和环氧基,同时基面还具有由未被氧化的苯环组成的疏水性网状结构,是一种两亲性物质。本文针对氧化石墨烯的这种结构特点,从提高其与聚合物相互作用的角度出发对氧化石墨烯进行了化学改性,旨在将其发展成为一种高分子共混增容剂,并且考察了其在共混中的增容效果。主要内容有:(1)采用改进的Hummers法,即对石墨进行插层氧化,进一步超声处理进行单分子层剥离的方法制备出了氧化石墨烯。对产物的各项测试结果均显示,采用该方法可以成功制备出高质量的氧化石墨烯,并且与传统的Hummers法相比,该方法成本更低且更安全环保。(2)利用氧化石墨烯基面上的环氧基进行共价键修饰,提高其与聚合物之间的相互作用,为下面将其发展成高分子共混增容剂打下了基础。主要工作有:a.首先将乙二胺与氧化石墨烯混合,利用氨基与环氧基的亲核取代反应对氧化石墨烯进行胺改性,制备出了带有氨基的氧化石墨烯(NH2-t-GO)。b.然后将马来酸酐接枝的聚丙烯(MAPP)与NH2-t-GO混合,利用酸酐基团与NH2-t-GO末端氨基的反应完成化学改性,制备出接枝有PP链的氧化石墨烯(PP-g-GO)。FTIR分析、XRD分析都检测到了PP链的存在;TGA分析得出在PP-g-GO中MAPP的接枝率可达65.73%;拉曼光谱分析可知对石墨的氧化及修饰引入了大量缺陷,使其结晶尺寸大为减小。(3)将制备出的接枝有PP链的氧化石墨烯(PP-g-GO)作为高分子共混增容剂,应用到两种不相容的高分子聚合物PP和ABS中。主要工作有:a.按不同比例将PP和ABS熔融共混,考察了不同共混比时增容前与增容后共混材料的各项力学性能的改变。力学结果显示,加入0.5 wt%的PP-g-GO后共混材料的抵抗形变能力和强度都有所提高,韧性则呈现了下降趋势。b.固定共混比为PP/ABS=30/70,添加了不同含量的PP-g-GO,考察了增容前与增容后共混材料各项性能的变化。SEM图像显示,增容后的共混材料两相混合均匀性明显提高;TGA、DMA、DSC、拉伸冲击测试以及流变性能测试结果表明,PP-g-GO的加入可以提高PP/ABS共混物的热稳定性、抵抗形变能力及粘度、结晶能力以及拉伸冲击强度,但过多含量的PP-g-GO可能发生部分团聚从而对性能有不利影响,且高温熔融状态下PP-g-GO的增容效果不明显。
【关键词】：氧化石墨烯 化学修饰 高分子共混
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;O631
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-40
• 1.1 石墨烯和氧化石墨烯简介12
• 1.2 氧化石墨烯的制备方法及结构12-16
• 1.2.1 氧化石墨烯的制备方法12-13
• 1.2.2 氧化石墨烯的结构13-16
• 1.3 氧化石墨烯的修饰16-22
• 1.3.1 共价键修饰16-20
• 1.3.1.1 对羧基的修饰16-18
• 1.3.1.2 对环氧基的修饰18-20
• 1.3.2 非共价键修饰20-22
• 1.3.2.1 多核芳香环物质20-21
• 1.3.2.2 表面活性剂和离子液体21
• 1.3.2.3 生物分子和大分子21-22
• 1.4 功能化氧化石墨烯在高分子材料中的应用22-31
• 1.4.1 氧化石墨烯/聚合物纳米复合材料的合成22-24
• 1.4.1.1 溶液混合22-23
• 1.4.1.2 熔融共混23-24
• 1.4.1.3 原位聚合24
• 1.4.2 氧化石墨烯/聚合物纳米复合材料的性质24-31
• 1.4.2.1 机械性能24-26
• 1.4.2.2 导电性能26-28
• 1.4.2.3 导热性能28-29
• 1.4.2.4 其它性能29-31
• 1.5 本文的研究目的与主要内容31-34
• 参考文献34-40
• 第二章 氧化石墨烯的制备和改性40-57
• 2.1 研究背景40-42
• 2.2 实验部分42-44
• 2.2.1 原料42
• 2.2.2 氧化石墨烯（GO）的制备42-43
• 2.2.3 氨基化氧化石墨烯（NH_2-t-GO）的制备43
• 2.2.4 接枝聚丙烯链的氧化石墨烯（PP-g-GO）的制备43
• 2.2.5 样品表征43-44
• 2.3 结果与讨论44-53
• 2.3.1 氧化石墨烯的结构与性能44-47
• 2.3.1.1 UV分析44-45
• 2.3.1.2 FTIR分析45
• 2.3.1.3 XRD分析45-46
• 2.3.1.4 TGA分析46-47
• 2.3.2 PP-g-GO的结构与性能47-53
• 2.3.2.1 PP-g-GO的合成路线47-48
• 2.3.2.2 FTIR分析48-49
• 2.3.2.3 XRD分析49-50
• 2.3.2.4 TGA分析50-52
• 2.3.2.5 Raman分析52-53
• 2.4 小结53-54
• 参考文献54-57
• 第三章 改性氧化石墨烯在高分子共混中的应用57-79
• 3.1 研究背景57-59
• 3.2 实验部分59-61
• 3.2.1 原料59
• 3.2.2 PP/ABS共混物的制备59-60
• 3.2.3 PP/ABS/PP-g-GO共混物的制备60
• 3.2.4 样品表征与测试60-61
• 3.3 结果与讨论61-76
• 3.3.1 不同共混比例下PP/ABS增容前后性能的比较62-65
• 3.3.1.1 PP/ABS与PP/ABS/PP-g-GO拉伸性能的比较62-64
• 3.3.1.2 PP/ABS与PP/ABS/PP-g-GO冲击性能的比较64-65
• 3.3.2 不同增容剂添加量对PP/ABS共混体系性能的影响65-76
• 3.3.2.1 SEM分析65-67
• 3.3.2.2 TGA分析67-68
• 3.3.2.3 DMA分析68-70
• 3.3.2.4 DSC分析70-73
• 3.3.2.5 力学分析73-74
• 3.3.2.6 流变性能分析74-76
• 3.4 小结76-77
• 参考文献77-79
• 第四章 结论79-80
• 作者简介80-81
• 致谢81

【参考文献】

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