功能化石墨烯的分散性研究

发布时间：2020-11-18 19:04

　　 石墨烯(Graphene)由于独特的二维结构,具有优异的电学、热学、力学等性能,被认为是21世纪最有应用前景的新型碳材料之一,将石墨烯应用在传感器、电池、超级电容以及复合材料等领域,可以大幅度地提高它们的性能。但是石墨烯大的比表面积,片层之间较强的范德华力和π-π堆垛等会造成石墨烯的团聚,而石墨烯优异的性能与层数有密切的关系,克服石墨烯团聚的主要方法有共价功能化和非共价功能化两种,这两种方法会对石墨烯的表面性能产生较大的影响,进而影响它在溶剂和高分子中的分散性。因此本论文主要采用共价和非共价两种方法功能化石墨烯,探究功能化石墨烯在溶剂中的分散性,根据分散性计算它们的Hansen溶解度参数,并借助Hansen溶解度理论预测石墨烯和功能化石墨烯在高分子中的分散性。本论文研究的主要内容如下:1.采用表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠SDBS、十四烷基二甲基甜菜碱BS14、十六烷基氯化吡啶CPC和聚乙二醇辛基苯基醚TX-100),生物大分子(海藻酸钠SA),高分子聚合物(聚乙烯吡咯烷酮PVP)非共价功能化石墨烯;采用表面活性剂(辛胺OA),生物大分子(溶菌酶LZ)和高分子聚合物(聚苯胺PANI)共价功能化石墨烯。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶红外变换(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)和X-射线衍射(XRD)表征方法,证明石墨烯被功能化。2.探究上述非共价和共价功能化的石墨烯在单一溶剂中的分散性,通过照片定性表征,并通过其在溶剂中的分散性计算Hansen溶解度参数。实验结果表明石墨烯经不同类型的分散剂功能化,其在溶剂中的分散性和Hansen溶解度参数发生了显著的改变。3.探究石墨烯和非共价功能化石墨烯在混合溶剂中的分散性,实验结果表明石墨烯及功能化石墨烯在不同比例的混合溶剂中的分散性不同,当混合溶剂的Hansen溶解度参数与目标溶剂的Hansen溶解度参数相近时,在大多数情况下,石墨烯在它们中分散性相似,但Hansen溶解度参数不是影响石墨烯在溶剂中分散性的唯一因素。4.探究制备方法和功能化过程对石墨烯在单一溶剂中分散性的影响。发现不同方法制备的石墨烯,在形貌、缺陷密度、溶剂中的分散及Hansen溶解度参数都有显著的差异。石墨烯经过功能化后在溶剂中的分散性和Hansen溶解度参数都发生了显著改变。5.通过Hansen溶解度参数理论预测了石墨烯和功能化石墨烯与环氧树脂的界面相容性,并且通过光学显微镜观察石墨烯在基体中的分散状态,实验结果表明通过Hansen溶解度预测的相容性结果与实际的分散状态有很好的一致性。石墨烯经SDBS和CPC功能化,它们在环氧树脂中的分散性得到了提高;通过改善石墨烯在高分子中的分散性,可以进一步提高复合材料的热稳定性。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 石墨烯概述
        1.2.1 石墨烯的发现
        1.2.2 石墨烯的结构和性能
        1.2.3 石墨烯的制备
    1.3 石墨烯的功能化
        1.3.1 非共价功能化石墨烯
        1.3.2 共价功能化石墨烯
    1.4 石墨烯在溶剂中的分散性
        1.4.1 石墨烯在单一溶剂中的分散性
        1.4.2 石墨烯在混合溶剂中的分散性
    1.5 石墨烯与高分子的界面相容性和在高分子中的分散性
        1.5.1 石墨烯与高分子的界面相容性
        1.5.2 石墨烯在高分子中的分散性
    1.6 本论文的研究思路和研究内容
第二章 实验部分
    2.1 实验原料、试剂及设备
        2.1.1 实验原料
        2.1.2 实验试剂和设备
    2.2 样品表征技术及性能测试
        2.2.1 石墨烯还原程度表征
        2.2.2 石墨烯功能化表征
        2.2.3 石墨烯在溶剂中的分散性
        2.2.4 石墨烯的Hansen溶解度参数
        2.2.5 石墨烯与高分子的界面相容性和在高分子中的分散性
        2.2.6 复合材料热稳定性表征
第三章 非共价功能化石墨烯在溶剂中的分散性研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 氧化石墨烯的制备
        3.2.2 石墨烯的制备
        3.2.3 非共价功能化石墨烯的制备
        3.2.4 非共价功能化石墨烯在溶剂中的分散性
    3.3 实验结果和讨论
        3.3.1 石墨烯的非共价功能化
        3.3.2 非共价功能化石墨烯在单一溶剂中的分散性
        3.3.3 非共价功能化石墨烯的Hansen溶解度参数
    3.4 小结
第四章 共价功能化石墨烯在溶剂中的分散性研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 共价功能化石墨烯的制备
        4.2.2 共价功能化石墨烯在溶剂中的分散性
    4.3 实验结果和讨论
        4.3.1 石墨烯的共价功能化
        4.3.2 共价功能化石墨烯在单一溶剂中的分散性
        4.3.3 共价功能化石墨烯的Hansen溶解度参数
    4.4 小结
第五章 功能化石墨烯在混合溶剂中的分散性研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 不同比例混合溶剂的配制
        5.2.2 固定比例混合溶剂的配制
    5.3 实验结果和讨论
        5.3.1 功能化石墨烯在不同比例混合溶剂中的分散性
        5.3.2 功能化石墨烯在固定比例混合溶剂中的分散性
    5.4 小结
第六章 制备方法及功能化对石墨烯分散性影响的研究
    6.1 引言
    6.2 实验部分
        6.2.1 石墨烯的制备
        6.2.2 功能化石墨烯的制备
    6.3 实验结果和讨论
        6.3.1 石墨烯还原程度的分析
        6.3.2 石墨烯的功能化
        6.3.3 石墨烯及功能化石墨烯在溶剂中的分散性
    6.4 小结
第七章 功能化石墨烯在环氧树脂中的分散性研究
    7.1 引言
    7.2 实验部分
    7.3 实验结果和讨论
        7.3.1 HSPs预测功能化石墨烯与环氧树脂的界面相容性
        7.3.2 功能化石墨烯在环氧树脂中的分散性
        7.3.3 环氧树脂复合材料的热稳定性
    7.4 小结
第八章 结论
参考文献
致谢
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