作为碳材料家族中的新成员,由于拥有优异的电学、热学以及力学性能,石墨烯已经在聚合物纳米复合材料领域引发广泛的关注。石墨烯／聚合物纳米复合材料(GPNs)已经成为了石墨烯最有前景的应用之一,研究人员关注的是制备具有良好分散以及获得显著性能提升的GPNs。然而,石墨烯在聚合物基体中的分散及界面作用仍是影响GPNs获得良好性能的关键因素,特别是在非极性聚烯烃基体中。聚丙烯(PP)是一种常见的热塑性聚合物,被广泛地应用在日常生活和工业中。然而,其自身的易燃性,已经限制了其在一些领域的应用。因此,提高PP的阻燃性能具有重要的意义。纳米技术在阻燃高分子中的应用已经被认为是该领域的重要进展。石墨烯作为潜在的阻燃纳米填料已经得到研究,然而,石墨烯的阻燃效率弱于常见的层状纳米材料,如蒙脱土等。石墨烯较差的阻燃效率主要由于其很难在基体中实现良好分散、易被氧化以及单一的阻燃机理所造成的。在热解或燃烧过程中,氧化石墨烯(GO)上的含氧官能团的脱除伴随着缺陷和空位的产生,这将削弱石墨烯的阻隔效果。在本论文中,采用非共价和共价功能化方法对石墨烯的表面特征进行修饰,并提升PP的阻燃性能。可石墨化改性剂包括三聚氰胺(MA)和聚苯胺(PANI)在燃烧过程中原位形成的碳基保护层覆盖在石墨烯片层上,增强其阻隔性能。聚合物接枝共价改性可以降低石墨烯片层间的内聚能,从而获得在基体中的良好分散。通过吸附磷钼酸(PMoA)来增强石墨烯的自由基捕捉能力是显著提升其PP纳米复合材料热氧稳定性及阻燃性能的机理。利用含磷-氮阻燃剂和具有催化成炭功能的过渡金属纳米材料来修饰石墨烯,赋予其不同的阻燃机理。石墨烯添加到膨胀型阻燃剂(IFR)体系,研究在不同的火灾场景下的可燃性及燃烧行为。本论文的研究工作是由以下部分组成。1.采用非共价改性的方法,利用MA和PMoA对石墨烯进行表面改性,并制备PP纳米复合材料来提高材料的阻燃性能。π-π：共轭、氢键、静电作用等强相互作用促使MA吸附在GO片层上,可以观察到功能化氧化石墨烯(FGO)是以插层和剥离的微观结构均匀分散在PP基体中。FGO/PP纳米复合材料呈现了比GO/PP更高的热稳定性和阻燃性能。相比于纯的PP,添加2 wt%的FGO能够使热释放速率峰值(PHRR)降低29.2%。相同含量的GO只能使PHRR略有降低。MA的升华被GO所抑制,由于GO的阻隔作用,插层的MA在热解过程中产生了石墨化氮化碳(g-C3N4)。在石墨烯片层上原位形成的g-C3N4保护层可以抵消石墨烯在燃烧过程中形成的缺陷所带来的消极影响。因此g-C3N4纳米片层提供的保护层可以增强其阻隔效应。在FGO基纳米复合材料中,热释放速率和挥发性降解产物的逸出都得到抑制。PMoA是通过静电相互作用负载到石墨烯纳米片层上。添加该石墨烯纳米杂化物到PP基体,不仅可以显著提高其阻燃性能和热氧化稳定性,也会增强材料的刚性和热变形温度。相比较于纯样品,当纳米杂化物的添加量仅为1 wt%时,其纳米复合材料的初始降解温度和最大质量损失速率的温度分别提高了44℃和34 ℃。纳米杂化物呈现出比石墨烯更为显著的增强效果。复合材料热氧化稳定性和阻燃性能的提升主要归功于石墨烯的阻隔效应以及PMoA增强了自由基捕捉效应。2.使用对苯二胺(PPD)和三聚氯氰作为改性剂,通过接枝的PPD中的胺基与马来酸酐官能团之间的反应,将马来酸酐接枝的聚丙烯(MAPP)以共价键形式接枝到石墨烯片层上。由于此聚合物型增容剂接枝于石墨烯表面,在本研究中可以实现FGO的均匀分散和界面较强的相互作用。研究FGO对材料结晶行为、热稳定性、阻燃性能、力学及热机械性能的影响。较低含量的FGO也会导致其纳米复合材料的热稳定性的显著提升,对热稳定性增强机理进行系统地阐述。纳米复合材料的断裂伸长率随着FGO含量的增加而逐渐减小,而材料的拉伸强度未发现明显的增高。通过研究聚合物链和片晶的运动性,对复合材料的断裂伸长率的降低以及未获得拉伸强度提升的机理进行总结。此外纳米复合材料的阻燃性能在一定程度上也得到提升。3.为了同时提高石墨烯的阻隔效应和分散性,利用‘"grafting from"法将可石墨化的PANI纳米纤维接枝于石墨烯表面。接枝的PANI不仅能提升石墨烯的分散性,此外由于PANI的导电特性,也能提升FGO的导电性能。PANI-RGO可以显著提升PP的阻燃性能,包括PHRR和总热释放量(THR)的降低,复合材料在锥形量热仪测试中烟气释放量也有所下降,表明PANI-RGO的加入可以提高PP的火灾安全性。由于其共轭结构,PANI容易通过碳化反应获得石墨化材料。在燃烧过程中,碳纳米纤维原位形成在石墨烯表面,因此石墨烯的阻隔效应能够被增强。因此纳米复合材料的热释放速率得到显著降低,烟的释放也得以抑制。此外添加PANI-RGO可以使得PP材料获得较高的导电性,这是归功于改性促使石墨烯的均匀分散以及改性剂PANI优异的导电性。4.将含有磷、氮的阻燃剂一聚磷腈通过"grafting from"法接枝到GO片层表面,再通过Ni2+和聚磷腈阻燃剂上的胺基的强相互作用,将Ni(OH)2负载到石墨烯片层上,利用的是聚磷腈的高阻燃效率以及过渡金属的催化成炭作用。由于有机改性以及FGO和Ni(OH)2之间的协同分散效应,功能化石墨烯在基体中呈现均一的分布和均匀的分散。FGO的添加可以显著地提高材料的成炭量。FGO尤其是FG02(磷腈阻燃剂和Ni(OH)2共同修饰)可以极大地降低PHRR和THR值。相比于纯样,FGO2/PP的PHRR和THR分别下降了32.6%和19.0%。FG02综合了多种阻燃机理,如石墨烯的物理阻隔、磷氦协效和催化成炭等作用。5.一直以来,石墨烯被寄予厚望可作为IFR的协效剂来进一步提升其阻燃效率。本研究将石墨烯与IFR复配使用,探寻可能存在的协同或者拮抗作用,研究材料在不同火场景下的可燃性及燃烧行为。在小尺度的燃烧测试中,石墨烯含量的增加会导致阻燃PP材料的极限氧指数和UL-94等级的逐渐降低。而在强制燃烧测试中,低含量石墨烯的添加(0.5和1 wt%)可以进一步降低PHRR,且提升材料的火灾安全性。添加高含量的石墨烯(2 wt%)于IFR体系中会导致其阻燃性能差于IFR/PP.石墨烯的添加也会降低阻燃PP复合材料的烟密度。通过实时傅里叶变换红外光谱和热重-红外联用技术来分别分析凝聚相和气相的热降解产物,并对锥形量热仪燃烧后的残炭的化学组成和微观结构进行研究。由于石墨烯良好的阻隔效应,气相降解产物包括可燃和不可燃气体的释放被显著抑制。石墨烯被发现能够增强炭层的致密度和石墨化程度。由于石墨烯的阻隔作用,更多的磷、氮被保留在炭层中。石墨烯可以提高IFR/PP体系的熔融粘度。低添加量的石墨烯可以促进炭层的膨胀,而高的添加量则会抑制炭层的膨胀,对石墨烯的作用机理进行总结。当适量的石墨烯添加到IFR体系中,残炭的致密性、力学性能以及基体的熔融粘度都被适当地提高,促进炭层的膨胀和阻燃性能的提升。过量的石墨烯是不利于降低热释放速率的,这是因为炭层被过渡增强。