氧化石墨烯/聚酰胺6纳米复合材料的制备和导电性研究

论文摘要

石墨烯是由扁平单层碳原子组成的二维蜂窝状晶格紧密堆积而成,它被认为是其他各维炭材料的基本组成单位,可以包覆成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管和堆垛成三维的石墨。石墨烯具有高的比表面积、出色的力学性能、优良的导电导热性能等,使其可作为无机填料填充于聚合物中获得性能优异的复合材料。本实验以天然石墨为原料,采用Staudenmaier法制备氧化石墨烯,并利用快速热膨胀法制备石墨烯,采用XRD、XPS、FT-IR、SEM等测试手段分析了氧化石墨烯和石墨烯的表面官能团、结构特征及微观形貌。然后,采用一种经济且实用的方法制备了导电性和热稳定性都好的聚酰胺6基复合材料,即以绝缘的且热稳定性差的氧化石墨烯为填料一步法原位聚合制备分散性好的氧化石墨烯/聚酰胺6纳米复合材料,其导电渗流阈值低至0.41 vol%,当氧化石墨烯的体积分数为1.64%,电导率达到0.028 Sm-1。TG和XPS分别证实了在260℃的聚酰胺6原位聚合温度下氧化石墨烯完成了部分的热还原,从而使其导电性得以恢复。XRD,SEM和TEM观察显示了氧化石墨烯纳米填料均匀地剥离且分散在聚酰胺6基体中。另外,热稳定性差的氧化石墨烯的加入对聚酰胺6的热稳定性未产生明显的影响。这种一步法原位聚合和热还原氧化石墨烯的方法对大量生产导电的聚合物基纳米复合材料具有深远的意义。同时,以在1050℃下快速热膨胀氧化石墨得到的石墨烯为填料经过相同方法制备石墨烯/聚酰胺6纳米复合材料,并与氧化石墨烯/聚酰胺6纳米复合材料作比较。本论文进一步研究了管状碳纳米管和片状氧化石墨烯混合使用与己内酰胺原位聚合制备聚酰胺6纳米复合材料,获得了很好的导电协同增强作用。相对于单独的碳纳米管之间和石墨烯之间零维的点连接组成的导电网络,杂化填料中管状的碳纳米管对片状的石墨烯的连接起搭桥作用,形成的一维的线连接可以显著地增加界面接触面积,从而造成杂化纳米填料对聚酰胺6复合材料的导电性产生协同增强效应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氧化石墨概述
• 1.2.1 氧化石墨的制备
• 1.2.2 氧化石墨的结构
• 1.2.3 氧化石墨的剥离及改性
• 1.2.4 氧化石墨的化学还原性
• 1.3 石墨烯的概述
• 1.3.1 石墨烯的制备
• 1.3.2 石墨烯的结构
• 1.3.3 石墨烯的性能
• 1.3.4 石墨烯的应用
• 1.4 碳纳米管的概述
• 1.4.1 碳纳米管的制备
• 1.4.2 碳纳米管的结构
• 1.4.3 碳纳米管的性能
• 1.4.4 碳纳米管的应用
• 1.5 聚酰胺6纳米复合材料研究现状
• 1.6 本课题的立题依据和主要研究内容
• 1.6.1 立题依据
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 实验与测试分析方法
• 2.1 实验研究方案
• 2.2 实验所用原料及设备仪器
• 2.2.1 实验所用原料
• 2.2.2 化学试剂
• 2.2.3 主要设备与仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 氧化石墨的制备
• 2.3.2 氧化石墨烯的制备
• 2.3.3 石墨烯的制备
• 2.3.4 酸化碳纳米管的制备
• 2.3.5 聚酰胺6基纳米复合材料的制备
• 2.4 表征方法
• 2.4.1 X射线衍射测试（XRD）
• 2.4.2 傅里叶变换红外光谱测试（FT-IR）
• 2.4.3 X射线光电子能谱测试（XPS）
• 2.4.4 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.5 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.6 热失重分析（TGA）
• 2.4.7 电导率测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 氧化石墨和石墨烯的表征
• 3.1.1 天然石墨、氧化石墨和石墨烯的XRD测试分析
• 3.1.2 天然石墨、氧化石墨和石墨烯的XPS谱图分析
• 3.1.3 天然石墨、氧化石墨、石墨烯和碳纳米管的微观形貌
• 3.1.4 天然石墨、氧化石墨烯、石墨烯和酸化碳纳米管的微观形貌
• 3.1.5 小结
• 3.2 氧化石墨烯/聚酰胺6纳米复合材料和石墨烯/聚酰胺6纳米复合材料的表征与分析
• 3.2.1 氧化石墨烯和石墨烯在聚酰胺6基体中的剥离与分散
• 3.2.2 氧化石墨烯/聚酰胺6纳米复合材料和石墨烯/聚酰胺6纳米复合材料的导电性和导电机理研究
• 3.2.3 氧化石墨烯/聚酰胺6复合材料和石墨烯/聚酰胺6复合材料的热稳定性
• 3.2.4 小结
• 3.3 氧化石墨烯&酸化碳纳米管/聚酰胺6三组分纳米复合材料的表征与分析
• 3.3.1 氧化石墨烯和碳纳米管组成的杂化填料在聚酰胺6基体中的剥离与分散
• 3.3.2 氧化石墨烯&碳纳米管/聚酰胺6三组分纳米复合材料导电性和导电机理研究
• 3.3.3 小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介