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石墨烯的制备及其纳米导电复合膜的研究

作　者: 贾波
导　师: 王宇新
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 导电纳米复合膜 石墨烯 聚偏氟乙烯 交流电场
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


从2004年石墨烯被发现以后,关于石墨烯的制备以及应用一直是人们研究的热点。本文我们首先制备了石墨烯,然后利用石墨烯优良的导电性,将其用于石墨烯/聚偏氟乙烯导电纳米复合膜的制备,接着在复合膜的制备过程中加入了交流电场,研究了电场作用对石墨烯/聚偏氟乙烯复合膜性能的影响。我们首先采用改进的Hummers法与超声作用联合制备氧化石墨烯,在水合肼还原作用下制成石墨烯。研究表明,石墨烯薄的片层褶皱着紧密团聚在一起。氧化石墨烯含有大量的极性官能团,如–OH、–COOH、C–O–C、C=O等,所以分散性和亲水性都很好,而石墨烯中含氧官能团大大减少,它在水中基本不溶解,成沉淀状态。XRD图显示石墨烯的衍射强度相对于石墨和氧化石墨烯来说甚微,说明石墨烯剥落成为单层或者几层结构,从而形成一种新的晶格结构。石墨烯的热稳定性明显高于氧化石墨烯,它到800℃的失重只有18%左右,是一种热稳定性极好的纳米材料。采用溶液共混法制备石墨烯/聚偏氟乙烯导电纳米复合膜。为了加以比较,我们用同样的方法制备了石墨/聚偏氟乙烯纳米复合膜。接着我们在石墨烯/聚偏氟乙烯导电纳米复合膜的制备过程中施加了交流电场。研究结果显示,加入了少量的石墨烯后,在复合膜断面可以明显的显出石墨烯的片层结构。复合膜的电导率随着石墨烯添加量的增加而增加。在石墨烯含量1wt%时,导电率急剧增加,复合膜达到了渗流阀值。在5wt%时,复合膜的水平电导率为0.034s/cm,垂直向电导率为0.85e-4 s/cm,复合膜有较好的导电性。但是石墨添加到PVDF中并没有极大的提高复合膜的导电性,效果不是很明显。掺杂石墨烯后可以提高PVDF的结晶度。复合膜的断裂强度随着石墨烯含量的增加先增大再减小。当石墨烯添加量为0.5wt%时,其断裂强度最大值可达39MPa,比纯PVDF膜提高了23.2%。施加电场后,石墨烯沿着电场方向发生定向,片层沿着电场方向平行分布。在电场作用下PVDF的衍射峰(2θ=20.1°)强度变强。复合膜的垂直向的电导率增加,而水平向的电导率减少。复合膜的机械性能提高,断裂强度和弹性模量均增加。石墨烯的含量是1wt%时,复合膜的断裂强度增加了20.12%,弹性模量增加了33.3%。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 文献综述  8-27
  1.1 石墨烯及氧化石墨烯研究现状  8-20
    1.1.1 石墨烯概述  8-10
    1.1.2 氧化石墨烯概述  10-11
    1.1.3 石墨烯的制备方法  11-16
    1.1.4 石墨烯和氧化石墨烯复合材料的研究进展  16-19
    1.1.5 石墨烯的应用  19-20
  1.2 复合型导电高分子材料的研究现状  20-26
    1.2.1 复合型导电高分子材料  20-23
    1.2.2 聚偏氟乙烯(PVDF)导电复合材料  23-24
    1.2.3 电场作用下的导电复合膜的研究  24-26
  1.3 本文主要工作内容  26-27
第二章 氧化石墨烯和石墨烯的制备  27-42
  2.1 引言  27
  2.2 实验部分  27-31
    2.2.1 主要试剂、材料与仪器  27-28
    2.2.2 氧化石墨烯和石墨烯的制备  28-30
    2.2.3 氧化石墨烯和石墨烯的表征  30-31
  2.3 结果与讨论  31-40
    2.3.1 天然鳞片石墨、氧化石墨烯和石墨烯的外貌  31-33
    2.3.2 天然鳞片石墨、氧化石墨烯和石墨烯的化学结构  33-39
    2.3.3 氧化石墨烯和石墨烯的热稳定性  39-40
    2.3.4 氧化石墨烯和石墨烯的分散性  40
  2.4 本章小结  40-42
第三章 石墨烯/聚偏氟乙烯纳米导电复合膜  42-59
  3.1 引言  42
  3.2 石墨烯/聚偏氟乙烯复合膜  42-53
    3.2.1 主要试剂和仪器  42-43
    3.2.2 石墨烯/PVDF 纳米导电复合膜的制备  43
    3.2.3 石墨烯/PVDF 纳米导电复合膜的表征  43-46
    3.2.4 结果与讨论  46-53
  3.3 电场作用下制备石墨烯/PVDF 复合膜  53-58
    3.3.1 电场作用下制备石墨烯/PVDF 复合膜的方法  53-54
    3.3.2 结果与讨论  54-58
  3.4 本章小结  58-59
第四章 结论与展望  59-61
参考文献  61-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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