电磁功能纳米复合材料的制备与性能

论文摘要

聚合物基纳米复合材料既能发挥纳米材料特殊的光、电、磁等特性,还兼具聚合物基体质轻、耐腐蚀、高比强度、加工性能好的特点,具有广阔的应用前景。本文从纳米填充相的制备及改性出发,与聚合物基体复合制备了一系列磁性纳米复合材料和导电复合材料,并探讨了其电磁性能。一方面,探讨了不同反应条件对Fe3O4纳米粒子纯度和磁性能的影响,经比较获得了最优工艺条件为：Fe2+和Fe3+的物质的量之比为1：1.75,以十二烷基苯磺酸钠为分散剂,氨水为沉淀剂,在30℃下反应1小时,随后于80℃下熟化3小时。为了改善纯Fe3O4粒子磁性较低的缺陷,采用Zn2+掺杂以提高Fe3O4饱和磁化强度Ms。分别用振动样品磁强计（VSM）和X射线衍射（XRD）等表征方法分析了离子掺杂对磁性粒子饱和磁化强度和结晶行为的影响,结果表明产物均表现为超顺磁性,且当Zn2+含量x=0.2时,Ms能达到最高值80.93emu/g。此外还对磁性粒子的粒径及其分布进行了详尽的研究,并采用修正的劳厄方程计算粒径,与实验结果吻合。为了进一步探究离子掺杂影响磁性的机理,引入双交换作用和超交换作用的理论,从Fe3O4磁矩入手,设计模型解释了Zn2+掺杂对Fe3O4粒子磁性能造成影响的机理。初步制备了Fe3O4/PVA纳米复合材料,并比较了其形貌、热稳定性和电磁屏蔽效能,说明Fe3O4/PVA纳米复合材料在电磁吸波方向有应用前景。另一方面研究了三种不同碳材料CNF、CNT和VGCF-X填充的聚丙烯基复合材料。红外光谱（FTIR）和X射线能量色散谱（EDS）表明混酸氧化预处理过程向碳材料表面引入了活性官能团,能极大地提高其分散性,分散性的提高对碳纳米材料的成膜性有很大的贡献,并且通过微观结构观察发现,长径比越大越有利于抽滤成膜,只有VGCF-X的长径比达到了成膜的要求。此外,比较了不同含量的CNF/PP、CNT/PP和VGCF-X/PP复合材料的机械性能,结果表明三者均能明显提高聚丙烯基体的模量,但CNF和CNT对材料拉伸强度的贡献不大,而VGCF-X/PP复合材料相较于纯PP而言,模量和拉伸强度分别提升了125.3%和26.6%。此外,对三种复合材料的导电性进行了测试,比较发现由于VGCF-X的长径比大,更容易形成导电网络,从而使VGCF-X/PP复合材料的导电性远远高于其他两种材料。示差扫描量热仪（DSC）的结果表明VGCF的加入会使PP异相成核,结晶温度提高,但由于VGCF-X又会阻碍大分子链的运动,导致复合材料结晶度下降。此外,相较于纯PP而言,VGCF-X/PP复合材料的热稳定性也得到了提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 聚合物基纳米复合材料
• 1.1.1 纳米粒子的结构与特性
• 1.1.2 纲米粒子的表面改性
• 1.1.3 聚合物基纳米复合材料的制备
• 1.1.4 聚合物基纳米复合材料的表征
• 1.1.5 聚合物基纳米复合材料的性能与应用
• 1.2 磁性纳米粒子
• 3O₄纳米粒子'>1.2.1 Fe₃O₄纳米粒子
• 3O₄纳米粒子的制备'>1.2.2 Fe₃O₄纳米粒子的制备
• 3O₄纳米粒子的表面改性'>1.2.3 Fe₃O₄纳米粒子的表面改性
• 3O₄磁性纳米粒子的应用'>1.2.4 Fe₃O₄磁性纳米粒子的应用
• 1.3 碳纳米管
• 1.3.1 碳纳米管的种类
• 1.3.2 碳纳米管的制备
• 1.3.3 碳纳米管的纯化或改性
• 1.3.4 碳纳米管的表征
• 1.3.5 碳纳米管的性能及应用
• 1.3.6 碳纳米纤维
• 1.4 基于电、磁纳米粒子的聚合物基纳米复合材料
• 1.4.1 磁性纳米复合材料
• 1.4.2 碳纳米复合材料
• 1.5 本课题的研究内容
• 2 磁性纳米粒子及其复合材料的研究
• 2.1 概述
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 3O₄磁性粒子及其复合材料的制备'>2.3 Fe₃O₄磁性粒子及其复合材料的制备
• 3O₄磁性纳米粒子的制备'>2.3.1 Fe₃O₄磁性纳米粒子的制备
• 3O₄/PVA纳米复合材料的制备'>2.3.2 Fe₃O₄/PVA纳米复合材料的制备
• 2.4 结构及性能表征
• 3O₄磁性粒子的表征'>2.4.1 Fe₃O₄磁性粒子的表征
• 3O₄/PVA纳米复合材料的表征'>2.4.2 Fe₃O₄/PVA纳米复合材料的表征
• 2.5 结果与讨论
• 3O₄磁性纳米粒子的合成'>2.5.1 Fe₃O₄磁性纳米粒子的合成
• 2+掺杂Fe₃O₄磁性纳米粒子'>2.5.2 Zn²⁺掺杂Fe₃O₄磁性纳米粒子
• 2.5.3 磁性机理研究
• 3O₄/PVA纳米复合材料'>2.5.4 Fe₃O₄/PVA纳米复合材料
• 2.6 小结
• 3 碳纳米复合材料
• 3.1 概述
• 3.2 实验原料
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 碳纳米复合材料的制备
• 3.3.1 CNF,CNT和VGCF-X的预处理
• 3.3.2 碳纸的制备
• 3.3.3 聚丙烯基纳米碳复合材料的制备
• 3.4 结构及性能表征
• 3.4.1 CNF,CNT和VGCF-X的表征
• 3.4.2 聚丙烯基碳纳米复合材料的表征
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 酸处理对分散性的影响
• 3.5.2 酸处理对微观结构的影响
• 3.5.3 成膜性比较
• 3.5.4 复合材料机械性能比较
• 3.5.5 复合材料的导电性能
• 3.5.6 VGCF-X对PP结晶性的影响
• 3.5.7 VGCF-X对PP热稳定性的影响
• 3.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 修正劳厄方程推导过程
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢