聚合物基石墨烯復(fù)合材料的可控制備與性能研究.pdf

1、石墨烯具有杰出本征物理性質(zhì)，在電子器件、能量存儲(chǔ)、油污清理、生物載體等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力，獲得了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)石墨烯上述領(lǐng)域應(yīng)用一個(gè)非常重要途徑是利用其獨(dú)特物理性質(zhì)提升聚合物材料的物理性能，如介電性能、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能等。然而，石墨烯在提高聚合物上述物理性能方面仍存在諸多挑戰(zhàn)和困難，如容易聚集、高漏電電流、弱界面作用力、高界面接觸電阻等。本文圍繞這些問題，為聚合物復(fù)合材料針對(duì)性設(shè)計(jì)和制備了二維功能化石墨烯片和三維相互

2、連接的石墨烯網(wǎng)絡(luò)。研究?jī)?nèi)容主要分為以下三個(gè)方面:
　　首先，為提升聚合物復(fù)合材料的介電性能，設(shè)計(jì)和合成了具有三明治結(jié)構(gòu)的二維氧化鈦功能化石墨烯(Graphene-TiO2)雜化片和氧化石墨烯包裹的碳納米管(GO-e-CNTs)雜化片。Graphene-TiO2雜化片不僅擁有高導(dǎo)電的石墨烯基底，而且還有形貌可控的功能化的氧化鈦納米棒。石墨烯為在聚合物復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)建微電容器網(wǎng)絡(luò)提供理想的電極材料，氧化鈦納米棒為微電容器網(wǎng)絡(luò)提供了電介

3、質(zhì)，并且有效地阻止石墨烯之間的互相接觸，抑制了漏電電流。另外，氧化鈦引入使得復(fù)合材料組分的介電常數(shù)呈現(xiàn)梯度分布。因此，Graphene-TiO2/聚苯乙烯的復(fù)合材料具有高的介電性能，包括高介電常數(shù)和低介電損耗。本文發(fā)現(xiàn)可以控制二氧化鈦納米棒的含量調(diào)節(jié)復(fù)合材料的介電常數(shù)，為控制復(fù)合材料的介電常數(shù)提供了一條新路徑。GO-e-CNTs雜化片表現(xiàn)出高度穩(wěn)定溶液分散性，并且擁有高導(dǎo)電碳納米管的內(nèi)核和電絕緣的GO殼層，因而，GO-e-CNTs/聚氨

4、酯復(fù)合材料表現(xiàn)出高介電常數(shù)、低介電損耗、提高的擊穿強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度。
　　其次，為提升聚合物力學(xué)性能，設(shè)計(jì)和合成了二維超支化芳香族聚酰胺功能化石墨烯（GS-HBA）。HBA的功能化不僅提高石墨烯在聚氨酯基體中分散，而且增強(qiáng)石墨烯與基體之間的界面作用力，導(dǎo)致石墨烯和基體之間的力的轉(zhuǎn)移更有效。與水合肼還原的石墨烯、氧化石墨烯和乙二胺功能化的石墨烯復(fù)合材料相比，GS-HBA的復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的彈性模量、屈服強(qiáng)度以及斷裂強(qiáng)度，并具有幾乎相

5、等的斷裂伸長(zhǎng)率。另外，本文研究發(fā)現(xiàn)石墨烯/聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅取決于界面相互作用力，還與石墨烯的取向密切相關(guān)。例如，Ca2+交聯(lián)的具有層狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯/聚合物復(fù)合材料不僅表現(xiàn)高的楊氏模量、拉伸屈服和斷裂強(qiáng)度，還具有高的斷裂伸長(zhǎng)率。
　　第三，為提升聚合物導(dǎo)電性能，設(shè)計(jì)和制備了具有三維相互連接石墨烯網(wǎng)絡(luò)的實(shí)心和泡沫復(fù)合材料。4.8 vol％石墨烯的實(shí)心復(fù)合材料的電導(dǎo)率高達(dá)1024.8 S/m，其電導(dǎo)率大幅高于文獻(xiàn)報(bào)道的相

6、同填料摻量的功能化石墨烯/聚合物復(fù)合材料的值。高溫?zé)峤鈱?shí)心復(fù)合材料獲得的三維多孔石墨烯框架具有更高的電導(dǎo)率，可作為鋰離子電池和超級(jí)電容器的電極材料，在能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。泡沫復(fù)合材料具有三維二元結(jié)構(gòu)，其中石墨烯均勻地組裝在三維聚合物骨架的周圍。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集合了石墨烯和聚氨酯二者的優(yōu)點(diǎn)，致使獲得的泡沫材料具有高導(dǎo)電性能、高疏水性能、以及杰出力學(xué)性能包括壓縮，彎曲和扭轉(zhuǎn)。這種三維二元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓展了石墨烯泡沫研究思路，為制備高