论文部分内容阅读
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维纳米材料,具有优越的热学、力学、光学、电学等性能,从而成为当前材料科学领域的研究热点,广泛应用于聚合物复合材料中。然而它与高分子聚合物混合的过程中还有很多亟待解决的问题：比如,石墨烯如何在聚合物基体中分散和取向问题；如何增强石墨烯与聚合物基体界面的相互作用等等。针对以上问题,本文通过对石墨烯表面功能化处理,提高其在聚合物中的分散性以及石墨烯与聚合物基体界面作用；在此基础上,将功能化的石墨烯与聚丙烯制备出聚丙烯功能化石墨烯复合材料。另外,运用实验室自主组装设计的剪切诱导取向挤出(SIOE)成型设备制备出具有取向分布的功能化石墨烯聚丙烯复合材料。(1)通过Hummers法将鳞片石墨制备出氧化石墨(GO),再将其在4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)的作用下与硬脂酸反应制备得功能化石墨烯(FGs)。通过运用傅立叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)和透射电子显微镜(TEM)来测试分析FGs的结构和性能。结果表明通过MDI的共价接枝改性将硬脂酸接到氧化石墨烯表面,成功的制备出了功能化石墨烯粒子(FGs),它与有机溶剂的相容性较好,非极性得到了增强,从而与聚合物基体有较好的相容性,功能化石墨烯粒子层与层间距离增大,热稳定性较氧化石墨烯也有很显著的提高。(2)将不同含量的功能化石墨烯粒子与等规聚丙烯(iPP)通过熔融共混的方式制备出聚丙烯/功能化石墨烯(iPP/FGs)复合材料。并通过运用X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)和万能力学拉伸试验来测试分析聚丙烯/功能化石墨烯复合材料的结构和性能。实验结果表明FGs粒子能够较好的分散在聚丙烯基体中,同时与界面有较强的相互作用,聚丙烯复合材料的结晶度、热稳定性以及力学性能较聚丙烯/鳞片石墨复合材料、聚丙烯/氧化石墨烯复合材料有显著提高。(3)本课题组自主设计组装了剪切诱导取向挤出(SIOE)成型设各,该设备是在单螺杆挤出机的机头出料口处加装自主设计的取向成型模块单元,再将挤出的片层材料通过流延辊拉伸冷却成型。该设备主要是通过添加不同数量的取向单元模块来控制聚合物流体受到剪切力的大小,从而调控填料和基体中的分散排布情况。我们首先将等规聚丙烯和FGs用双螺杆挤出机造粒制备出母料,再运用取向挤出成型设备制备出不同FGs含量不同取向单元下的聚丙烯/功能化石墨烯(iPP/FGs)复合材料。采用X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、二维广角X射线衍射(2D-WAXD)、气体渗透仪(GPT)和万能力学拉伸试验对其结构、形态和性能进行了表征。实验结果表明,经过取向单元挤出成型的聚丙烯/功能化石墨烯(iPP/FGs)复合材料中的FGs填料粒子明显的沿流动方向定向排列,随着取向单元的增加,FGs分散越均匀,同时其引起聚丙烯晶体发生取向,晶体取向度大致随取向的单元依次递增。由于FGs片层的定向排布,使得聚丙烯/功能化石墨烯(iPP/FGs)复合材料具有较好的力学性能和阻隔性能。这对开发高性能的力学和阻隔高分子材料具有借鉴意义。