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自2004年单层石墨烯被发现以来,因其具有独特的二维结构和优异性能成为化学、物理等领域的研究热点。石墨烯及石墨烯/聚合物纳米材料具有奇异的结构和性能,展现出重大的科学意义和应用价值,但真正实现石墨烯及其复合材料的产业化应用,还面临着许多问题和挑战。本论文通过化学方法功能化氧化石墨烯,并分别以聚丙烯(PP)和聚酰亚胺(PI)为基体制备复合材料,研究功能化后氧化石墨烯在这些聚合物中的分散性,讨论氧化石墨烯的加入对材料形态结构、力学性能、结晶特性、热稳定性等行为的影响,为氧化石墨烯/聚合物复合材料的规模化制备和应用积累相关数据和资料。主要研究内容如下:(1)氧化石墨烯的表面改性。针对石墨烯在聚合物基体中不易分散的问题,通过十八烷基异氰酸酯对氧化石墨烯(GO)进行功能化改性,成功制备了烷基化改性氧化石墨烯(iGO)。采用FT-IR、Raman、TEM、TGA、元素分析等测试方法对iGO进行了表征测试。结果证明,烷基链被成功地通过共价键接到了GO的片层表面上,且石墨烯片层中每4个碳接有一个烷基链;与GO相比,iGO在有机溶剂中有更好的分散性。(2)氧化石墨烯/PP复合材料的制备及其性能。以具有结晶特性的聚丙烯为基体,采用溶液共混的方法分别制备了GO/PP和iGO/PP复合材料,研究了复合材料的动态力学性能、热稳定性、物理机械性能和结晶行为等。结果表明,GO/PP复合材料的玻璃化转变温度(Tg)比纯PP略微向高温方向迁移,而iGO/PP复合材料的玻璃化转变温度为16.3℃,向低温方向移动了2℃。与PP相比,GO/PP和iGO/PP复合材料的热稳定性比纯PP有较大提升,失重率为5%时GO/PP对应的热分解温度比PP高27℃,iGO/PP比PP高42℃。与纯PP相比,iGO/PP复合材料拉伸强度略有下降,但杨氏模量却提升了42%左右。XRD测试表明,所制备的GO/PP和iGO/PP复合膜的晶体形态均以α球晶为主。在此基础上,进一步对GO/PP及iGO/PP进行结晶动力学研究。GO和iGO在PP等温结晶过程中均起了异相成核剂的作用,加快了PP的结晶速率。Avrami方程可以用来分析GO/PP及iGO/PP的等温结晶过程,GO及iGO的加入降低了PP的等温结晶活化能。Ozawa模型和Mo模型均可以很好地描述GO/PP及iGO/PP复合材料的非等温结晶过程。(3)氧化石墨烯/PP/PS聚合物共混物的制备及其性能。为研究氧化石墨烯对聚合物共混物的界面及性能的影响,以PP/PS共混物为制备聚合物共混物材料的基体,通过熔融共混方法制备了氧化石墨烯/PP/PS聚合物共混物,重点分析了iGO/PP/PS共混物的相形态的变化,并讨论加工过程(共混次序)对聚合物共混物在相结构和性能上的影响。研究表明GO对PP/PS共混物增容作用不明显,而iGO可以明显促进PP/PS共混物的两相间的相容性。iGO较少的填充量对PP/PS共混物的相结构有增容作用,iGO含量较大时因iGO的团聚使PP/PS共混物相容性变差。DMA分析发现,石墨烯的加入使PP和PS的Tg均明显向高温方向迁移,且iGO比GO的影响更加明显;同样,GO和iGO均使PP/PS共混物中的PP的结晶速率变快,结晶度变小,而iGO的作用更明显。GO对PP/PS共混物力学性能的提升作用有限,而iGO却明显提升PP/PS共混物力学性能,在iGO的添加量为0.2wt%时拉伸强度比PP/PS共混物增加35%。GO和iGO都可以提高PP/PS共混物的热稳定性,在失重为10%时iGO/PP/PS共混物的热分解温度比PP/PS复合材料提升了近30℃,比GO/PP/PS复合材料提升了25℃。加工过程中iGO与PP及PS先后共混次序的不同对PP/PS共混物力学性能有很大的影响。在各组份同时加入共混熔融制备的iGO/PP/PS共混物样品中,iGO主要集中于相界面及相邻区域,在相界面间形成“过渡区”,对共混物增容效果明显,相应力学性能提升;iGO先与PS熔融共混再加PP制备的(PS/iGO)/PP共混物中,iGO主要集中于PS相和相界面相邻区域,也可在相界面间形成“过渡区”,促进PP相与PS相的容合,力学性能也有所提升;但添加次序为先PP和iGO共混,再加入PS制备的(PP/iGO)/PS共混物,iGO主要集中于PP相内,材料出现相分离的趋势,相应力学性能下降。(4)氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料及其性能。通过溶液共混方法,制备成功了氧化石墨烯/聚酰亚胺复合膜和功能化氧化石墨烯/聚酰亚胺复合膜,并成功纺丝制备了功能化氧化石墨烯/聚酰亚胺复合纤维。研究发现,iGO对聚酰胺酸(PAA)环化为聚酰亚胺(PI)的过程有诱导作用。相比GO,iGO与PI基体界面相互作用较好,随着iGO含量的增加,iGO/PI复合膜界面相互作用先变好后变差,在添加量为3wt%时相对最好。在添加量同为1wt%的情况下,GO/PI复合材料的玻璃化转变温度略微高于PI,而iGO/PI复合材料的玻璃化转变温度则明显低于PI。力学性能方面,在iGO的添加量为1 wt%时,iGO/PI复合膜的拉伸强度比纯PI增加了80%;在iGO添加量为0.5 wt%时iGO/PI复合纤维与纯PI纤维相比,拉伸强度增加了93%,模量也提升了192%。