生物质石墨烯在弹性体材料中的应用研究

发布时间：2020-11-08 07:09

　　 石墨烯材料自被发现以来,由于其稳定的结构和优异的性能备受研究人员青睐,石墨烯/弹性体复合材料也是目前乃至未来的研究热点。本论文研究了某公司采用玉米秸秆等为原材料制备的生物质石墨烯在聚氨酯和丁苯橡胶两种弹性体材料中的应用。BG-A和BG-B均为实验室自制改性生物质石墨烯,其中BG-A分散液采用生物质石墨烯经甲苯二异氰酸酯(TDI)改性制得,分散介质为N,N-二甲基甲酰胺(DMF);BG-B粉体采用生物质石墨烯经γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性制得。对BG-A和BG-B进行扫描电镜、透射电镜和拉曼光谱等表征,确定BG-A和BG-B都不是单片层结构且含有杂质和缺陷,这对其自身性能有一定消极影响,但易与有机基体复合,为石墨烯/弹性体复合材料的制备奠定基础。采用溶液共混法将BG-A分散液与聚氨酯(PU)混合制得复合浆料,该过程采用DMF为有机溶剂,采用流延成型工艺制备出BG-A/PU复合材料,研究复合浆料粘度与温度的关系,流延成型时基底温度与成膜形态的关系;采用扫描电镜观察BG-A/PU复合材料的断面形貌,研究BG-A添加量不同时BG-A/PU复合材料的力学性能、动态力学性能、热学性能、耐水性、亲疏水性和导热系数,结果表明:复合浆料粘度随温度的升高而降低,水浴加热温度为50℃时除气泡效果较好,流延基底温度为30℃时成膜形态最佳;BG-A/PU复合材料相对纯PU材料断裂面更粗糙,界面作用增强;BG-A添加量为1wt%时,BG-A/PU复合材料的拉伸强度达到最大值43.8MPa,较纯PU材料提高39.1%;BG-A添加量为0.25wt%时,BG-A/PU复合材料的导热系数达到最大值0.205 W/(m·K),较纯PU材料提高20.0%;BG-A添加量为0.75wt%时,BG-A/PU复合材料的吸水率最低,耐水性能最好,同时疏水性达到最优;BG-A添加量为0.5wt%和1wt%时,BG-A/PU复合材料玻璃化转变温度相对纯PU材料分别提高了8℃和4℃。采用机械共混法制备BG-B/SBR复合材料,体系中炭黑N220和BG-B共同作为补强填料。首先对BG-B添加量不同时混炼胶的硫化曲线、门尼粘度等进行了研究,然后探究BG-B添加量对硫化胶的断面形貌、力学性能、热学性能、抗湿滑性能和磨耗性能的影响,结果表明:BG-B添加量由0增加到1wt%的过程中,混炼胶硫化过程中的最低扭矩、最高扭矩和门尼粘度都呈先增加后减小的趋势,焦烧时间变化不明显,正硫化时间逐渐增加;BG-B/SBR硫化胶相对不加BG-B的硫化胶拉伸强度、撕裂强度、300%定伸应力和硬度都有所增加,断裂伸长率降低;BG-B用量为0.5wt%时,硫化胶的撕裂强度、拉伸强度和300%定伸应力最高,与未添加BG-B的硫化胶相比撕裂强度和拉伸强度分别提高了20.3%和14.8%,300%定伸应力提高了43.2%;硫化胶的玻璃化转变温度随BG-B添加量的增加稍有升高,动态损耗因子随BG-B添加量的增加呈先减小后增加的趋势;BG-B添加量为0.5wt%时,硫化胶的抗湿滑性最强,此时硫化胶的导热系数为0.4029 W/(m·K),相对未加BG-B的硫化胶提升30.1%,磨耗体积降低到0.139cm~3,相对未加BG-B的硫化胶减少30.5%。
【学位单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【部分图文】：

04 年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·K·盖姆等通过微了单层石墨烯[1]。石墨烯凭借它特有的的结构和优良的性能。材料发展历程一种神奇的元素，它既可以组成世界上最坚硬的物质—金刚石墨衍生物：富勒烯、碳纳米管和石墨烯。碳纳米管还没有的碳元素形成的单质包括金刚石、石墨和 C60，它们都是三管被科研人员发现，人们对碳元素构成单质的结构有了新的也极大的促进了石墨烯的发现及发展。2004 年英国曼彻斯特 Geim 和 Novoselov 通过简单的机械剥离法[1]得到单层石墨次重大发现，两位科学家因此获得 2010 年诺贝尔物理学奖石墨烯都是 C-C 键由 sp2 结合形成的密集蜂窝状晶体结构，米管、富勒烯和石墨都可以看成单层石墨烯的衍生物，如图

图 1.2 Hummers 法法制备氧化石墨烯原理示意图[10]Fig. 1.2 Schematic diagram of hummers method to prepare graphene oxid合当下绿色、无污染的生产潮流，科研人员开发出绿色有效的化石墨烯[12]。Zhu[13]等发现可以采用葡萄糖作为氧化石墨烯的种方法可以得到石墨烯水分散液，但是分散液的浓度一般较an Kim[14]等证实右旋糖酐也可以和葡萄糖、果糖、蔗糖一样作定剂，其产物石墨烯的分散浓度可以达 1mg/mL。Wang[15]等采水合肼同样起到还原氧化石墨烯的作用。除此之外， Xu[16]等替其它绿色还原剂，同样可以还原氧化石墨烯，并且他们成功墨烯-多巴胺复合材料，而且这种复合材料具有仿生功能。烯可以采用上述多种方法进行制备，但这几种方法均存在生产业规模化较难实现等问题，这会阻碍石墨烯在一些平价复合材本论文实验过程中使用的石墨烯是生物质石墨烯，该产品由某[17]

图 1.3 流延成型的工艺流程[37]Fig. 1.3 Process of tape casting[37] 有机流延成型工艺根据溶剂种类的不同，流延成型工艺可以分为有机流延成型工艺和水基流延成工艺两大类。有机流延工艺研究和应用的比较早，在陶瓷制备的应用上已经比较熟。常用的有机溶剂包括甲苯、二甲苯、乙醇和三氯乙烯等，在实际生产中则常乙醇/甲苯、乙醇/三氯乙烯等二元共沸溶剂[38]。有机溶剂在空气中易挥发，具有低的表面张力，而且对浆料具有相容性，因此有机流延成型工艺添加剂的选择范广泛，溶剂挥发快，干燥时间短，易制备成强度高、柔韧性好、结构均匀、坯体陷尺寸小的陶瓷薄板。但有机溶剂有一定的毒性，会给人类呼吸道和皮肤带来危，污染生态环境，而且生产成本较高，具有成品有机物含量高、密度低、流延成易开裂等缺点，这些都一定程度的阻碍了有机流延成型工艺的研究和应用。 水基流延成型工艺近些年来，水基流延成型工艺因其低污染、低成本、高成品率的优点得到广泛
【参考文献】

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本文编号：2874452