膨胀石墨、石墨纳米片制备及其增强聚酯膜导电性、导热性、电磁屏蔽性能的研究

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本文开展了关于膨胀石墨、石墨纳米片的制备与应用研究。(1)采用热膨胀法制备膨胀石墨,通过砂磨剥离膨胀石墨制备石墨纳米片,研究了添加膨胀石墨、石墨纳米片对提高聚酯薄膜导电性能的影响;(2)通过砂磨剥离商用膨胀石墨制备了不同尺寸的石墨纳米片,研究了添加石墨纳米片对增强聚酯膜的导电性能、导热性能、电磁屏蔽性能的影响;(3)研究了Ca(ClO)2、K2FeO4、HNO3在石墨氧化插层过程中的作用,制备了不同膨胀倍率的膨胀石墨,将膨胀石墨进行砂磨剥离制备石墨纳米片,研究了添加石墨纳米片对聚酯有机膜导电性能的增强作用。本论文研究结果总结如下。以天然鳞片石墨(5 g)为原料,KMn O4(6 g)为氧化剂,在浓硫酸溶液(120 m L)中,室温(25℃)氧化插层8 h制备可膨胀石墨前驱体。将可膨胀石墨前驱体在800℃下热膨胀60 s后,得到了最大体积比为317 m L g-1的膨胀石墨。KMn O4对天然石墨的氧化程度对制备高膨胀倍率的膨胀石墨至关重要。在去离子水中砂磨6到24 h,制备的石墨纳米片的厚度从8.9 nm减少到3.2 nm。借助于砂磨过程的冲击和剪切作用,延长砂磨时间不仅降低石墨纳米片的层数,还增加了d002间距。在聚酯中加入膨胀石墨粉和石墨纳米片,有效地提高了聚酯复合薄膜的电导率。在去离子水介质中,采用砂磨剥离商用膨胀石墨方法制备了石墨纳米片,通过添加石墨纳米片制备了具有优良的导电、导热和电磁干扰屏蔽性能石墨纳米片/聚酯复合膜。当石墨纳米片厚度为5 nm左右,石墨纳米片添加量为1wt%,即可赋予石墨纳米片/聚酯复合膜良好的抗静电性能。添加量为5wt%时,石墨纳米片/聚酯复合膜的导热系数达到最大值0.23 W·m-1·K-1。同时发现,石墨纳米片的加入对复合膜的电磁干扰屏蔽效能有显著的影响,尤其是厚度5 nm石墨纳米片,当其加入量为40%时,电磁干扰屏蔽效率达到8.40d B。在硫酸溶液中,采用Ca(ClO)2、K2FeO4、硝酸在0~60℃氧化插层天然鳞片石墨2、4、6 h分别制备了可膨胀石墨前驱体,三种氧化剂对天然鳞片石墨的氧化、插层效果从高到低依次为Ca(ClO)2>K2FeO4>硝酸。Ca(ClO)2为氧化剂时,制备的膨胀石墨体积比最高达到14.5 cm~3 g-1。Ca(ClO)2为氧化剂时制备的膨胀石墨,经砂磨48 h制备的石墨纳米片平均厚度为93 nm。氧化剂不同,在膨胀石墨及其相应的纳米石墨片中引入缺陷的程度不同,引入缺陷程度次序为Ca(ClO)2>K2FeO4>硝酸。膨胀石墨、石墨纳米片导电填料的加入大幅度的提高了聚酯复合膜导电性。添加量为10wt%时,制备的聚酯复合膜属于导电膜材料范畴。小尺寸的石墨纳米片能够更好的提高聚酯复合膜的导电性。
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