电化学改性纳米石墨制备及其聚合物基纳米复合材料研究

论文摘要

本论文主要基于电化学氧化法制备改性纳米石墨及其聚合物基纳米复合材料,电化学氧化法是一种具有操作简便、产品后处理工序简单、能耗低以及环保性好的新型制备方法。这种电化学氧化作用能够在不同的电解条件下形成多种类型的功能化修饰纳米粒子,包括氧化程度的可控变化,而且各种不同氧化程度的改性微粒都能均匀稳定分散在水性介质中。一方面,高氧化程度的电化学改性纳米石墨粒子（EM-GNPs）能够用化学还原试剂处理,部分修复被破坏的石墨晶体结构,进而恢复部分导电性,导电率从还原前的（1.38±0.05）×10-6S/cm提升至还原后的（1.02±0.05）×10-3 S/cm。而且还原后,石墨晶体002面的XRD特征衍射峰重新呈现出来。另一方面,EM-GNPs极性表面的亲水性还能通过有机阳离子表面活性剂进行改性处理,使其转变成亲油性。轻度电化学氧化改性的纳米石墨微片（EM-GNs）是在电解过程中产生的另一种纳米结构物质,具有极高的径厚比和良好的水分散性。它能够均匀分散在水溶性聚合物如聚乙烯醇（PVA）基体中,形成剥离型纳米复合膜。这种纳米复合膜较纯PVA在电、热和机械性能上都得到了改善。导电率从聚乙烯醇的绝缘体范围转变成复合材料的半导体范围,而导电渗滤阀值仅为6 wt.%左右。5 wt.% EM-GNs填充PVA复合材料的耐高温降解性提高了近45℃,玻璃化转变温度提高了近14℃。此外,机械拉伸强度和韧性也得到了协同增强。适度电化学氧化处理EM-GNPs能保留石墨晶体结构,同时引入含氧极性官能团和微量类氧化石墨晶体结构,从而EM-GNPs兼具了石墨极佳的面内性质和类氧化石墨特殊的表面性质,这将有利于制备出高性能环氧/EM-GNPs纳米复合材料。这种低氧化程度的EM-GNPs能够通过超声波辐射作用剥离分散到环氧基体中,平均粒子相对于分散前增大了1倍左右,这可能是因为组成EM-GNPs的微片层之间发生了移动,而又没有完全分离开。EM-GNPs在环氧基体中的这种特殊结构,决定了它能协同增强和增韧环氧基体。5 wt.% EM-GNPs填充环氧纳米复合材料的拉伸强度和断裂韧性分别提高了17 MPa和6 %。同时,耐高温降解性也有19℃的提升。

论文目录

• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米石墨的研究背景
• 1.3 聚合物基纳米复合材料
• 1.4 本课题研究目的、内容及意义
• 参考文献
• 第二章 电化学改性纳米石墨制备及表征
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 水溶性聚合物/电化学改性纳米石墨微片复合材料制备及表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 油溶性聚合物/电化学改性纳米石墨粒子高性能复合材料制备及表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论