苯并咪唑类聚合物的合成及其修饰碳纳米管和石墨烯的研究与应用

发布时间：2018-02-22 10:55

  本文关键词： 碳纳米管 石墨烯 苯并咪唑类聚合物 聚合物复合材料 功能性纳米复合材料　出处：《东华大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：碳纳米管(CNTs)和石墨烯(graphene)作为性能优异的一维和二维纳米碳材料,自被发现以来,在材料、化学、物理等各个领域显示出了广阔的应用前景。尤其是二者都具有高机械强度、出色的导电和导热性能,以及高比表面积,使得它们可作为理想的组分与聚合物或金属纳米粒子复合制备高性能及功能性纳米复合材料。但它们都存在分散性差,与金属纳米粒子或聚合物基体结合力弱等缺点。因此在不破坏CNTs和graphene共轭结构的前提下,改变二者的表面性质,提高其在溶剂中的分散性以及与金属纳米粒子或聚合物基体之间的界面作用力一直是科学界以及工业界需要解决的难题。聚苯并咪唑(PBI)是一类具有高机械性能及热稳定性的聚合物,被广泛用于宇航、化工、防护等领域。其含有的咪唑基团也使得PBI在具备高性能的同时可作为功能性聚合物在燃料电池及金属纳米粒子复合等领域得到应用。由于具有这些独特的性能以及与纳米碳材料之间较强的π-π共轭作用,PBI可作为改性剂对碳纳米材料进行表面改性和分散,有望获得高性能及功能性纳米复合材料。基于以上考虑,本论文围绕PBI及其衍生物对碳纳米材料的表面修饰和分散,以及后续制备高性能及功能性纳米粒子复合材料展开。首先优化了pbi对碳纳米材料的分散条件,合成了具有不同化学结构的pbi衍生物以增强其与碳纳米材料的界面作用力。采用物理共混和化学反应接枝等方式,实现了聚合物对cnts及graphene的表面非共价修饰或共价改性。其次制备了多种高性能复合材料或功能性纳米复合材料,有望应用于催化剂、乙醇燃料电池、航空航天等领域。具体的研究内容及结果如下:(1)优化了有机溶剂中pbi非共价修饰多壁碳纳米管(mwnts)的实验条件,得到了高浓缩的、均一的mwnts分散溶液,经抽滤得到巴基纸复合材料。tem、元素分析等多种表征手段表明了,制备过程中离心力对于巴基纸性能有较大的影响。随后与agnps复合,制备得到了ag/mwnts-pbi复合材料。将其作为催化剂还原4-硝基苯酚,表现出了较好的催化活性以及循环稳定性。(2)通过烷基化反应,制备得到了溶解性优良的p(dmbi)-i-,并作为改性剂非共价修饰cnts。多种表征手段证明相比于pbi,p(dmbi)-i-对cnts的分散性显著提高。随后与pdnps复合,制备得到pd/mwnts-p(dmbi)-i-复合材料,电化学性能测试表明该复合材料对乙醇表现出较好的电催化活性。(3)以超支化pbi及线性pbi为原料,合成了同时具有良好的溶解性和成型性的超支化-线性共聚聚苯并咪唑,该合成方法同样适用于其他芳香族聚合物。随后将其用于非共价修饰cnts,结合分散结果,对分散机理做出了分析。多种表征手段表明相比于线性pbi,超支化-线性共聚聚苯并咪唑对CNTs的分散效果显著提高。最后利用溶液共混和浇铸涂膜法制备了MWNTs-超支化-线性共聚聚苯并咪唑复合材料(MWNTs-15PH/15PH),材料的性能测试表明分散性和相容性较好的MWNTs-15PH,在增强聚合物机械性能方面效果明显。(4)以超支化-线性聚苯并咪唑(15PH)为改性剂,非共价修饰石墨烯。以膨胀石墨为原料,对DMAc中15PH和PBI剥离石墨烯的实验条件进行了优化。多种表征手段表明了15PH对石墨烯的剥离和分散效果明显优于PBI。最后利用溶液共混和浇铸涂膜法制备了GP-15PH/15PH复合材料。材料的性能测试表明GP-15PH对聚合物基体有显著增强效果。(5)在ER(甲烷磺酸与五氧化二磷的质量比为10:1)体系下,通过一步反应法,将聚醚型苯并咪唑(OPBI)原位聚合接枝到石墨烯片层(GP)表面,实现了对GP表面的共价改性。多种表征手段表明此种方法对石墨烯具有较好的剥离、分散效果。并通过溶液共混和浇铸成型法制备得到了GP-OPBI/环氧树脂(Epoxy)复合材料,复合材料的性能测试表明GP-OPBI对环氧树脂具有明显的增强增韧效果。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.1

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本文编号：1524234