聚苯乙烯接枝石墨烯及其聚合物复合材料的制备与性能研究

发布时间：2017-10-04 02:22

  本文关键词：聚苯乙烯接枝石墨烯及其聚合物复合材料的制备与性能研究

  更多相关文章： 改性石墨烯 聚苯乙烯 界面相互作用 介电性能 力学性能

【摘要】：作为一种由碳原子紧密堆叠在二维的蜂窝晶格中而形成的平面单层纳米材料,石墨烯(Graphene)凭借着独特的导电性能、力学性能、热学性能以及二维的片层分子结构在众多领域都有着潜在的应用价值。但由于石墨烯表面缺少官能团且很难在聚合物基体中得到良好的分散,它在聚合物复合材料中的应用受到很大的限制,因此需要对其进行表面改性。而作为制备石墨烯的前驱体,氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)成本低廉,且表面含有羟基、羧基、羰基等含氧官能团,这为石墨烯的表面改性提供了很好的反应位点。基于此,本论文先通过微乳液聚合的方法对GO进行表面接枝改性,将其化学还原后加入到聚苯乙烯(Polystyrene, PS)中,制备出聚苯乙烯改性石墨烯(Polystyrene grafted reduced graphene oxide, rGO-PS),同时调控改性石墨烯上PS的接枝密度、接枝链长来改变填料与聚合物之间的界面相互作用,进而研究界面相互作用对复合材料介电性能及力学性能的影响；其次将其引入到尼龙6(Polyamide 6, PA6)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acylonitrile Butadiene Styrene, ABS)不相容共混物中,调控rGO-PS在界面的分布,研究其对共混物复合材料的微观形貌以及力学性能的影响。主要研究成果如下：(1)通过微乳液聚合辅以化学还原的方法成功制备出rGO-PS。形貌表征发现石墨烯片层表面包覆有PS分子链,结构表征证明这两者之间是以共价键的方式连接在一起,且化学还原所得到的石墨烯仍然能保留部分含氧官能团。此外,通过改变单体与引发剂的比例制备出不同接枝密度以及不同接枝链长的rGO-PS,并对其结构进行表征。结果表明,PS接枝密度的增加以及接枝链长的增长都能增大石墨烯片层的层间距,促进石墨烯片层发生剥离,且rGO-PS3对石墨烯片层的剥离效果最好。(2)将不同rGO-PS引入到PS中制备出PS/rGO-PS纳米复合材料。研究发现随着接枝密度的增加,rGO-PS与PS之间的界面相互作用逐渐增强,但接枝链长对其影响较弱；PS接枝密度和接枝链长的增加促进了石墨烯片层发生剥离,这也将促进其在基体中的分散。机械性能测试结果表明,接枝链长的增加对复合材料的拉伸韧性提升有一定的促进作用,而接枝密度的增加能大幅度提升材料的模量、强度以及拉伸韧性,这归因于两方面因素：一方面,接枝链长以及接枝密度的增加能增强填料和基体之间的界面相互作用；另一方面,对石墨烯进行接枝改性后能很好的促进石墨烯在聚合物基体中的分散。介电性能测试结果表明,接枝密度越高,石墨烯在基体中的分散更均匀,所对应的介电逾渗阈值越小,而接枝链长对复合材料介电性能没有太大的影响。同时,引入5 wt% rGO-PS后复合材料介电性能出现大幅度的提升,这是界面极化以及微电容结构共同作用的结果。(3)向PA6/ABS体系中引入rGO-PS制备出PA6/ABS/rGO-PS共混复合材料。引入rGO-PS后,纳米复合材料在维持原有的模量和强度的基础上,拉伸韧性和冲击韧性都有着很大程度地提升,相较于纯样而言,加入0.5 wt% rGO-PS复合材料的断裂伸长率和冲击韧性分别增加了400%和200%,这主要是由于rGO-PS有着特殊的“双亲性”结构,能分别与PA6和ABS产生相互作用,因此它能稳定地分布在两相界面上,增强两相之间的界面粘结,实现了不相容共混物的增韧。
【关键词】：改性石墨烯 聚苯乙烯 界面相互作用 介电性能 力学性能
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;O631
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 第一章 前言15-37
• 1.1 引言15-17
• 1.2 石墨烯的性能及制备17-21
• 1.2.1 石墨烯的结构与性能17-18
• 1.2.2 石墨烯的制备18-21
• 1.3 氧化石墨烯的结构、制备与性能21-23
• 1.3.1 氧化石墨烯的制备21-22
• 1.3.2 氧化石墨烯的结构与性能22-23
• 1.4 石墨烯的改性23-27
• 1.4.1 共价键改性23-25
• 1.4.2 非共价键改性25-27
• 1.5 石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备方法27-30
• 1.5.1 熔融共混27
• 1.5.2 溶液共混27-28
• 1.5.3 原位聚合28-29
• 1.5.4 乳液共混29-30
• 1.6 石墨烯/聚合物纳米复合材料的性能30-34
• 1.6.1 机械性能30-31
• 1.6.2 热性能31-32
• 1.6.3 电性能32-33
• 1.6.4 介电性能33-34
• 1.7 本论文的目的、意义及主要内容34-37
• 1.7.1 本论文的目的及意义34-35
• 1.7.2 本论文的主要内容35-37
• 第二章 聚苯乙烯修饰石墨烯的制备与表征37-51
• 2.1 引言37-38
• 2.2 实验部分38-41
• 2.2.1 实验药品及试剂38
• 2.2.2 实验仪器38-39
• 2.2.3 石墨烯接枝聚苯乙烯(rGO-PS)的制备39-40
• 2.2.4 测试与表征40-41
• 2.3 结果与讨论41-50
• 2.3.1 氧化石墨烯结构的表征42-43
• 2.3.2 石墨烯接枝聚苯乙烯的结构和形貌表征43-50
• 2.4 本章小结50-51
• 第三章 rGO-PS对PS介电行为及力学性能的影响51-66
• 3.1 引言51-52
• 3.2 实验部分52-54
• 3.2.1 实验原料52
• 3.2.2 实验仪器52-53
• 3.2.3 样品制备方法53
• 3.2.4 测试与表征53-54
• 3.3 结果与讨论54-64
• 3.3.1 PS/rGO-PS纳米复合材料界面相互作用分析54-58
• 3.3.2 PS/rGO-PS纳米复合材料力学性能分析58-59
• 3.3.3 PS/rGO-PS纳米复合材料介电性能分析59-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第四章 rGO-PS增韧不相容共混物PA6/ABS66-79
• 4.1 引言66-67
• 4.2 实验部分67-70
• 4.2.1 实验原料67
• 4.2.2 实验仪器67-68
• 4.2.3 样品制备方法68-69
• 4.2.4 测试与表征69-70
• 4.3 结果与讨论70-77
• 4.3.1 共混物复合材料的相形貌70-72
• 4.3.2 共混物复合材料力学性能分析72-74
• 4.3.3 聚苯乙烯改性石墨烯对共混物复合材料的增韧机理74-77
• 4.4 本章小结77-79
• 第五章 结论与展望79-81
• 5.1 结论79-80
• 5.2 展望80-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-99
• 攻读硕士学位期间发表或拟发表的论文99-100
• 附录100-101

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