聚多巴胺还原氧化石墨烯对环氧树脂固化动力学及其力学性能影响机制的研究

发布时间：2017-08-04 11:03

  本文关键词：聚多巴胺还原氧化石墨烯对环氧树脂固化动力学及其力学性能影响机制的研究

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【摘要】：石墨烯具有出色的性能,被视作高性能复合材料的理想填料。然而,由于石墨烯层间存在强的相互作用,纳米尺度的石墨烯很容易团聚或者堆叠,难以在复合材料中均匀分散,极大限制了其力学等性能的充分发挥。本文基于采用贻贝启发的多巴胺的自聚合及还原特性,对氧化石墨烯(GO)进行了一步法化学还原与改性,成功制备了聚多巴胺还原氧化石墨烯(pDop-rGO)并进行了形貌和结构的表征分析,在此基础上系统研究了pDop-rGO对环氧树脂固化动力学的影响规律,深入探讨了pDop-rGO的分散状态与表面化学活性对环氧复合材料力学等性能的影响机制,建立了pDop-rGO对环氧复合材料的增强机制。主要工作如下：1、采用原位一步法成功制备了聚多巴胺还原氧化石墨烯(pDop-rGO)。通过红外和元素分析研究GO改性前后表面官能团和元素含量的变化,应用热失重测试研究了其热稳定性,采用扫描、透射和原子力显微镜对GO和pDop-rGO的微观形貌进行观察。结果表明,相比于原始GO, pDop-rGO在1515cm-1处出现了N-H振动峰,同时在399.8eV处出现了N1s峰;热失重由GO的57.40wt.%减小到了50.78wt.%; pDop-rGO和GO的微观结构很相似,pDop-rGO的厚度由GO的0.69nm增至0.98nm。2、基于非等温DSC测试方法,同时应用Friedman和Malek等理论方法,系统研究了GO和pDop-rGO对EP体系的活化能和固化机理的影响规律。研究发现,相比于EP和EP/GO体系,pDop-rGO的加入降低了固化反应活化能,提高了树脂体系的固化反应活性,这归因于pDop-rGO表面的胺基团。3、基于力学测试、DMTA和Raman等表征手段系统探讨了pDop-rGO的分散状态与表面化学活性对环氧复合材料力学等性能的影响机制,建立了pDop-rGO对环氧复合材料的增强机制。研究表明,由于pDop-rGO表面具有高的化学反应活性,pDop-rGO比GO有更好的分散状态和增强效果,加入pDop-rGO后树脂的力学性能明显提高,且添加量为0.2wt.%时性能最佳。此外,Raman测试表明外部应力由基体有效地传递到了pDop-rGO上,pDop-rGO的有效模量达到了107GPa, GO经过多巴胺改性后与环氧树脂间有更好的界面结合。
【关键词】：多巴胺 氧化石墨烯 环氧 固化动力学 非等温差示扫描
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 符号说明15-16
• 第一章 绪论16-34
• 1.1 石墨烯简介16-20
• 1.1.1 石墨烯的特性及其制备方法16-19
• 1.1.2 氧化石墨烯的特性及其制备方法19-20
• 1.1.3 石墨烯、氧化石墨烯的应用20
• 1.2 聚多巴胺简介20-25
• 1.2.1 聚多巴胺的制备方法及其聚合机理20-22
• 1.2.2 聚多巴胺的特性及应用22-24
• 1.2.3 多巴胺改性氧化石墨烯研究进展24-25
• 1.3 环氧树脂简介25-28
• 1.3.1 环氧树脂基体25-26
• 1.3.2 环氧树脂固化动力学26-28
• 1.4 石墨烯聚合物复合材料28-31
• 1.4.1 石墨烯基材料的改性28-30
• 1.4.2 石墨烯聚合物材料的加工及应用30-31
• 1.4.3 环氧树脂/石墨烯复合材料31
• 1.5 本课题的研究内容、创新点和意义31-34
• 第二章 实验部分34-42
• 2.1 实验原料34
• 2.2 实验仪器及设备34-35
• 2.3 试样的制备35-37
• 2.3.1 pDop的制备35
• 2.3.2 GO的制备35-36
• 2.3.3 pDop-rGO的制备36
• 2.3.4 固化动力学试样的制备36-37
• 2.3.5 环氧树脂复合材料的制备37
• 2.4 表征与测试37-42
• 2.4.1 傅立叶红外光谱(FTIR)表征37
• 2.4.2 表面元素分析(XPS)表征37-38
• 2.4.3 热失重分析(TGA)表征38
• 2.4.4 扫描电子显微镜(SEM)表征38
• 2.4.5 透射电子显微镜(TEM)表征38
• 2.4.6 原子力显微镜(AFM)表征38-39
• 2.4.7 差示扫描量热仪(DSC)测试39
• 2.4.8 树脂浇铸体力学测试39
• 2.4.9 光学显微镜(OM)与激光共聚焦显微镜(CLSM)表征39
• 2.4.10 动态机械热分析(DMTA)测试39
• 2.4.11 拉曼(Raman)测试39-40
• 2.4.12 增强效率的分析40-42
• 第三章 结果与讨论42-66
• 3.1 pDop-rGO的表征42-47
• 3.1.1 pDop-rGO表面基团的分析42-43
• 3.1.2 pDop-rGO表面元素的分析43-44
• 3.1.3 pDop-rGO热稳定性的研究44-45
• 3.1.4 pDo-rGO微观结构的表征45-47
• 3.2 pDop-rGO对环氧树脂固化动力学影响规律的研究47-56
• 3.2.1 pDop-rGO对环氧树脂固化热流曲线及转化率的影响规律47-49
• 3.2.2 pDop-rGO对环氧树脂固化活化能的影响规律49-51
• 3.2.3 pDop-rGO/EP固化机理函数的分析51-54
• 3.2.4 pDop-rGO/EP固化反应动力学的模拟54-55
• 3.2.5 pDop-rGO对环氧树脂固化反应影响机制的研究55-56
• 3.3 pDop-rGO对环氧树脂复合材料性能影响机制的研究56-60
• 3.3.1 pDop-rGO对环氧树脂复合材料力学性能影响机制的研究56-58
• 3.3.2 pDop-rGO在环氧树脂复合材料中的分散性58-59
• 3.3.3 pDop-rGO对环氧树脂复合材料DMTA影响机制的研究59-60
• 3.4 pDop-rGO对环氧树脂复合材料增强机理的研究60-66
• 3.4.1 环氧复合材料在线拉曼光谱分析61-62
• 3.4.2 pDop-rGO在环氧树脂复合材料中作用机制的分析62-66
• 第四章 结论66-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-76
• 研究成果及发表的学术论文76-78
• 作者简介78-80
• 导师简介80-81
• 附件81-82

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