石墨烯-聚合物納米復(fù)合材料的制備、界面結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控.pdf

1、石墨烯（Graphene）是近些年發(fā)展起來的一種新型二維層狀納米材料，具有優(yōu)異的物理性能，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一，受到材料、化學(xué)、物理、生物、能源、電子和信息技術(shù)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。特別地，石墨烯具有突出的力學(xué)、出色的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，是制備聚合物納米復(fù)合材料的理想填料之一。然而，由于高比表面積和范德華力作用，石墨烯在聚合物中易團(tuán)聚且與基體的界面質(zhì)量較差，這些因素制約了高性能石墨烯/聚合物復(fù)合材料的制備。因此，如何將石墨烯有效地分散到聚

2、合物基體中以及構(gòu)筑石墨烯與聚合物基體良好的界面質(zhì)量一直是科學(xué)界以及工業(yè)界亟待解決的難題。
　　本文利用不同的分散石墨烯的方法，得到不同分散狀態(tài)的石墨烯/聚合物復(fù)合材料，首先研究了石墨烯的分散性對(duì)聚合物力學(xué)以及熱學(xué)性能的影響;其次，通過采用石墨烯（包括氧化石墨烯）表面改性的方法，實(shí)現(xiàn)了石墨烯在聚合物基體中的良好分散以及與基體間的界面結(jié)構(gòu)的調(diào)控;此外，還對(duì)石墨烯增強(qiáng)/增韌聚合物的機(jī)理進(jìn)行了研究。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)果詳述如下:
　　

3、1.通過采用不同的制備方法（溶液法和機(jī)械球磨法），構(gòu)筑了兩種不同分散狀的熱還原石墨烯(TRGO)/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料，研究了石墨烯分散狀態(tài)對(duì)材料各種性能（包括力學(xué)、熱學(xué)和導(dǎo)電性能）的影響;結(jié)果顯示:與分散差的石墨烯相比較，分散良好的石墨烯更有利于提高復(fù)合材料的導(dǎo)電、玻璃化溫度、強(qiáng)度、斷裂韌性等性能。此外，還對(duì)石墨烯增強(qiáng)增韌環(huán)氧樹脂的機(jī)理進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)石墨烯與基體之間的脫粘以及在裂紋尖端的橋聯(lián)應(yīng)該是石墨烯增韌環(huán)氧樹脂的主要原因?？梢?，

4、石墨烯的分散性對(duì)復(fù)合材料的性能至關(guān)重要，是實(shí)現(xiàn)制備高性能多功能聚合物納米復(fù)合材料的必要前提。
　　2.為了改善石墨烯在聚合物中分散穩(wěn)定性與界面質(zhì)量，我們采用雙親的表面活性劑對(duì)石墨烯進(jìn)行處理:表面活性劑親油端能夠吸附在石墨烯表面，親水端可增加石墨烯與環(huán)氧基體的相容性，實(shí)現(xiàn)了石墨烯在環(huán)氧樹脂中分散穩(wěn)定性，同時(shí)環(huán)氧基體與石墨烯的界面也得到了顯著地改善。該方法簡(jiǎn)便、有效，雙親的表面活性劑起到了聯(lián)接石墨烯與聚合物基體“橋梁”的作用，這也更加

5、利于應(yīng)力的有效傳遞，大幅度提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性。
　　3.相比較于TRGO，氧化石墨烯(GO)不但具有易制備、廉價(jià)優(yōu)點(diǎn)，而且其表面富含有氧化基團(tuán)，如羧基、羥基以及環(huán)氧基等。對(duì)GO進(jìn)行表面接枝改性已經(jīng)有大量的報(bào)道，但很多接校改性方法比較繁瑣復(fù)雜，制備的條件也較為苛刻，且成本較高，這些都不利于大規(guī)模制備與應(yīng)用。我們采用了一種相對(duì)簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉的制備方法來表面改性GO:利用環(huán)氧聚合物分子對(duì)GO進(jìn)行共價(jià)鍵接枝，這不僅有效地剝

6、離GO，而且提高GO在樹脂基體中的相容性，接枝在GO表面的環(huán)氧分子與環(huán)氧基體在固化的過程中可以形成共價(jià)鍵，從而充分發(fā)揮GO的優(yōu)異性能;因此，改性后的GO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)以及熱學(xué)性能。
　　4.我們還采用采用硅烷偶聯(lián)劑(KH560)對(duì)GO進(jìn)行表面改性，一端水解產(chǎn)生硅羥基能與GO表面的羥基進(jìn)行反應(yīng)，另一端含有環(huán)氧基團(tuán)，能夠促進(jìn)GO與環(huán)氧基體的相容性，改善GO與基體間的界面。改性后的GO對(duì)環(huán)氧樹脂的儲(chǔ)能模量、熱穩(wěn)定性、玻