石墨烯性能化及复合材料之制备

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1、石墨烯性能化及复合材料之制备第一章绪论1.1石墨烯及氧化石墨烯简介近几十年，碳纳米材料一直是研究的热点领域，继1985年发现富勒烯[1]和1991年发现碳纳米管[2]，2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈2海姆和当斯坦丁2诺沃肖洛夫成功制备出了石墨烯[3]。石墨烯的发现充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。1.1.1石墨烯简介2004年，英国曼彻斯特大学物理学家GeimA.K.等人，通过胶带反复剥离石墨的方法获得了单原子厚度的石墨单片石墨烯（graphene）。石墨烯由呈蜂巢晶格排列的碳原子构成，碳碳键长仅0.

2、142nm，结构非常稳定。石墨烯是目前世界上最薄的二维材料，只有一个碳原子的厚度，完整的石墨烯具有理想二维晶体结构。石墨烯片层的每个C原子通过σ键与其它三个C原子相连，强的C-C键使其具有很强的结构刚性，石墨烯的硬度比钻石还硬，强度比世界上最好的钢铁还高100倍[4]。石墨烯的C原子都贡献出未成键的π电子，在与平面垂直的方向形成π轨道，且π电子可在晶体中自由移动，从而使石墨烯具有优良的导电性。石墨烯的电子运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，其载流子迁移率达15000cm2•V-1•s-1[5]

3、，是目前已知的具有最高载流子迁移率的锑化铟材料的两倍，而电阻率只约10-6Ω•cm，比铜和银更低，是目前世上电阻率最小的材料。同时，石墨烯还有良好的导热性能，其热导率可达5000R）、表面元素分析（XPS）、红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）等表征手段对其结构进行分析，但都没法对氧化石墨烯的结构进行详细和准确的描述。目前普遍接受的氧化石墨烯的结构模型是Lerf-Klinodash;氧化石墨烯，然后用含有特定官能团的物质与氧化石墨烯表面的极性官能团反应，从而将石墨烯功能化。功能化石墨烯一方面携带着可以继续参与反应的活性官能团，另一方面由于引入了长

4、碳链结构而增强了与有机溶剂及聚合物的相容性。常用的功能化石墨烯的方法有：a.异氰酸酯与氧化石墨烯表面羟基和羧基反应，从而在表面引入有机碳链；b.有机胺类与氧化石墨烯表面环氧基反应，在表面引入长碳链；c.硅烷偶联剂与氧化石墨烯表面羟基缩合而在表面引入长碳链。本章采用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（KH570）来功能化石墨烯，目的是将KH570中的双键引入到石墨烯表面，以使石墨烯能均匀分散在聚氨酯树脂中。第三章氧化石墨烯的溶解性能.......................37-473.1引言.......................373.2实验部分

5、.......................37-403.2.1实验原料及仪器.......................37-383.2.2氧化石墨烯分散液的制备.......................38-393.2.3各浓度分散液的制备方法.......................393.2.4测试与表征.......................39-403.3结果与分析.......................40-453.3.1分散稳定性表征.......................40-413.3.2氧化石墨烯的Lambert-Beer.

6、......................413.3.3氧化石墨烯的溶解性能.......................41-453.4本章小结.......................45-47第四章功能化石墨烯/聚氨酯纳米.......................47-574.1理论背景.......................47-484.2实验部分.......................48-504.2.1实验原料及仪器.......................484.2.2功能化石墨烯/聚氨酯纳米复.....................

7、..48-494.2.3测试与表征.......................49-504.3结果与讨论.......................50-554.4本章小结.......................55-57结论本文用Hummers法制备了氧化石墨，对氧化石墨超声剥离制备氧化石墨烯，然后用硅烷偶联剂KH570功能化氧化石墨烯以改善氧化石墨烯与有机溶剂及树脂的相容性，最后原位聚合法将功能化石墨烯加入到聚氨酯树脂中，制备了石墨烯/聚氨酯纳米复合材料。本文采用SEM、TEM、XRD、F