原位聚合及超临界流体中超声辅助制备石墨烯/PMMA复合材料及性能研究

摘要

高分子材料成本低、来源广、制备简单、外表美观等优点使其在生活中有广泛的应用，特别地，具有抗静电性的聚合物在要求比较精细的领域展现出广阔的应用前景。二维材料石墨烯超大的比表面积、较高的电子迁移速率、良好的化学性能、良好的热导性、高弹性模量和机械强度等许多优异的物理化学性质使其在制备石墨烯/高分子复合材料有非常大的理论研究价值和应用价值。
　　首先，本文采用超声辅助超临界二氧化碳条件下剥离石墨制备石墨烯的方法，制备出层数比较少，尺寸比较大的石墨烯后，采用原位聚合的方法，将石墨烯和甲基丙烯酸通过超声共混后加入引发剂聚合，通过改变反应温度、引发剂含量制备了不同含量的石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯（Graphene/PMMA）复合材料。采用原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱图（IR）和X射线衍射（XRD）等手段对Graphene/PMMA的结构和形貌进行了表征，复合材料的机械拉伸性能、热力学稳定性和导电率分别采用拉力机和四探针金属/半导体电阻率测量仪器测定。结果表明成功制备得到Graphene/PMMA复合材料。加入石墨烯后，PMMA的弹性模量、最大拉伸应变、热稳定性都得到提高；当石墨烯含量由零增加到1 wt.%时，复合材料的电导率由10-14 S/cm提高至8.89×10-2 S/cm，即PMMA由绝缘材料改性为导电材料。
　　研究发现，在原位聚合过程中，引发剂产生的自由基分布不均匀会使链终止提前形成不饱和双键聚合物，针对此限制，本文提出了在超临界二氧化碳条件下，通过超声引发甲基丙烯酸甲酯（MMA）聚合制备聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的新方法。本文研究了超临界 CO2条件下，超声波强度、反应时间对PMMA的分子量和产率的影响。发现超临界二氧化碳体系中，存在引发反应的超声强度的阈值和最优值，阈值为150 W/cm2，最优超声强度值为225 W/cm2。超声引发聚合的超声时间也有一个最优值，综合反应产率和产品分子量，超声引发2h是合适的引发反应时间。
　　在超声引发合成PMMA的基础上，研究了通过超声引发混合制备Graphene/PMMA复合材料。超声引发制备的Graphene/PMMA复合材料的SEM、IR、XRD结果与原位聚合制备的Graphene/PMMA复合材料一致。超声引发制备的PMMA和复合物材料的TG和DTG表征结果显示，与原位聚合中化学引发剂产生的自由基相比，超声引发产生的自由基分布更为均匀，不会生成不饱和双键聚合物。当石墨烯含量为1 wt.%时超声引发制备的Graphene/PMMA复合材料的的电导率提高至1.13×10-1 S/cm，比原位聚合制备的Graphene/PMMA导电性更好，这可能是超声辅助超临界二氧化碳流体作用使制备的复合材料中Graphene与 PMMA混合分布更均匀。因此，超声引发聚合制备Graphene/PMMA复合材料具有重要实际意义。

目录

第一章 绪论

1.1纳米复合材料的研究和制备

1.1.1纳米复合材料的研究现状

1.1.2纳米复合材料的制备方法

1.2石墨烯纳米复合材料的研究现状

1.2.1石墨烯概述及制备

1.2.2 PMMA纳米复合材料

1.3超临界CO2 和超声辅助制备复合材料

1.3.1超临界技术

1.3.2超临界二氧化碳在制备聚合物方面的应用

1.3.3超声的基本性质及应用

1.3.4超声在复合材料制备中的作用

1.4本论文的研究目标和研究内容

第二章 石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的制备及性能研究

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1材料和试剂

2.2.2仪器和表征

2.2.3表征方法

2.2.4 PMMA本体聚合的合成原理和方法

2.2.5原位聚合制备Graphene/PMMA复合材料的实验方法

2.3结果与讨论

2.3.1石墨烯的表征

2.3.2工艺参数对制备Graphene/PMMA复合材料的影响

2.3.3 Graphene/PMMA复合材料的表征

2.3.4石墨烯含量对复合物性能的影响

2.3.5石墨烯含量对复合物热稳定性能的影响

2.3.6石墨烯含量对复合物导电性的影响

2.4小结

第三章 超临界CO2条件下超声辅助制备石墨烯/PMMA复合物

3.1前言

3.2材料与方法

3.2.1基本原料和试剂

3.2.2仪器和表征

3.2.3实验方法

3.2.4表征方法

3.3结果与讨论

3.3.1超声强度对产物分子量及其分布的影响

3.3.2超声时间对产物分子量及其分布的影响

3.3.3超声时间对产物产率的影响

3.3.4超声引发MMA聚合机理

3.3.5 Graphene/PMMA纳米复合材料

3.4小结

第四章 总结

4.1全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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