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聚合物/石墨烯纳米复合材料制备与性能研究

陈艳华  
【摘要】:石墨烯自2004年被发现以来,以其独特的二维晶体结构和优异的物理性质迅速引起全世界的关注,成为各个领域的研究热点。近年来,使用石墨烯作为聚合物基体的无机填充物制备聚合物基石墨烯纳米复合材料极大地提升了聚合物基体的热力学性质,引起学术界和工业界的广泛关注。然而,这方面的研究工作还处于起步阶段,在材料制备方法、工艺以及结构和性能关系方面仍有许多科学问题尚需探索解决,为此,本文以聚乳酸和聚乙烯醇作为聚合物基体,以石墨烯或氧化石墨烯作为无机填充物制备了聚乳酸/石墨烯纳米复合材料和聚乙烯醇/氧化石墨烯纳米复合水凝胶材料。开展这方面工作对设计、制备出性能优异的新型纳米复合材料有重要的指导作用。 针对聚乳酸结晶速率慢、热稳定性差等缺点,采用溶液共混法制备了聚乳酸/石墨烯纳米复合材料,系统研究了石墨烯对聚乳酸基体热稳定性和结晶性能的影响。在此过程中,石墨烯在氯仿溶液中的稳定分散是该制备方法的关键。研究结果表明石墨烯可以均匀地分散在聚乳酸基体中,较低的石墨烯添加量能显著提高聚乳酸的热稳定性,在石墨烯添加量为0.5wt%时,聚乳酸/石墨烯纳米复合材料在失重5%时的温度值是262.1oC,比纯聚乳酸提高23.1oC。此外,相对于纯聚乳酸,纳米复合材料的冷结晶峰向高温方向移动,表明石墨烯在聚乳酸的冷结晶过程中起阻碍结晶的作用。 在此基础上,进一步对聚乳酸/石墨烯纳米复合材料进行等温和非等温结晶动力学研究。利用Avrami方程对聚乳酸及其石墨烯纳米复合材料等温结晶过程进行分析,发现石墨烯在聚乳酸基体等温结晶过程中起到了异相成核剂的作用,加快了聚乳酸的结晶速率,并且降低了聚乳酸等温结晶活化能。此外,对聚乳酸及其石墨烯纳米复合材料非等温结晶行为研究发现,在相同降温速率下纳米复合材料的结晶峰向高温移动,且半结晶时间缩短,表明石墨烯在聚乳酸的非等温结晶过程中同样起到了异相成核剂的作用,提高了聚乳酸的非等温结晶速率,利用Avrami、Ozawa以及Mo的模型对聚乳酸及其石墨烯纳米复合材料的非等温结晶过程进行分析,发现只有Mo的方法能很好的描述材料的非等温结晶过程。同时,利用Kissinger方法分析了样品非等温结晶的活化能,发现石墨烯的添加提高了聚乳酸的结晶活化能,表明石墨烯对聚乳酸的非等温结晶过程有阻碍作用。然而,石墨烯纳米复合材料的结晶速率比纯聚乳酸快,这是由于在整个非等温结晶过程中石墨烯的成核作用一直占主导地位,结晶形态的结果进一步证实了石墨烯异相成核的作用。 此外,利用冷冻解冻法制备了聚乙烯醇/氧化石墨烯纳米复合水凝胶,通过重复的冷冻解冻过程,在聚乙烯醇和氧化石墨烯之间形成了以分子间氢键为作用力的物理交联结构,系统研究了实验参数对最终水凝胶性能的影响,包括氧化石墨烯含量、氧化石墨烯片层大小,85°C下搅拌时间以及冷冻解冻循环次数。结果表明,氧化石墨烯的添加,提高了聚乙烯醇的结晶度、热稳定性和溶胀比。相对于片层尺寸较大的氧化石墨烯,尺寸为2μm的氧化石墨烯所形成的复合水凝胶中,氢键作用较强,故而形成的物理交联结构也比较多,从而导致溶胀比降低。然而,在85°C下对聚乙烯醇/氧化石墨烯溶液搅拌一定时间,可使氧化石墨烯部分还原,导致复合凝胶的氢键作用变弱,而使得溶胀比提高。另外,增加冷冻解冻次数虽可提高交联结构的比例,却降低了材料的溶胀比。


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