石墨烯的有机化改性及其在聚合物纳米复合材料中的应用

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1、密级：中国科学院大学UniversityofChin．eseAcademyofSciences硕士学位论文2013年5月n●●l●¨』●■1●．1●．●●bUrlacemonltlCatlonOl2rapneneanditsaDDnCatloninD0lVmernan0C0mDOSltes●mm●■■■■■■■■■■■■■■■■一ByLongFengADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementFo

2、rthedegreeofMasterofNaturalScienceInsituteofChemistryChineseAcademyofSciencesMay,2013．致谢本论文是在李春成研究员的悉心指导下完成的。在这三年中，李老师在我的学习和工作中给予了我精心的教导，在我的生活中给予了无微不至的帮助和关爱。当我在实验中经历了失败和挫折时，李老师总是耐心的教导和给予鼓励。李老师严谨的治学态度，孜孜不倦的科学探索精神，广博的专业知识，强烈的责任心是我永远的宝贵精神财富。同时在他身上体现出的踏实诚信，与人为善，默默无闻的精神让我看到了真正学者

3、的人格魅力，从中学到了很多做人的道理。在此，我要向李老师表示诚挚的感谢!特别感谢管国虎老师，我在硕士阶段的实验成果得益于管老师的耐心指导。从论文的选题，实验中关键问题的解决以及期刊论文的撰写和发表，每一步都凝聚着管老师的心血和汗水。管老师具有渊博的知识，宽广的科研视野，勤奋的工作态度，缜密的研究风格，活跃的学术思想，和勇于开拓的创新精神，是指引我学习和科研的旗帜。再次，谨表示我衷心的感谢。衷心感谢李贞宜研究员和李纪生研究员对我在学期间的工作生活以及学位论文完成过程中给予的耐心指导和无私帮助。两位长者身上严谨的治学态度、深厚的学术造诣以及对知识

4、孜孜不倦的追求是我受益匪浅。感谢同课题组的张栋老师、萧耀南老师、郑柳春老师、朱文祥老师给予我至真至诚的帮助，亲切的指导和启发。感谢已经毕业的冯润财博士、曹凯凯博士和王晋博士，以及实验室的李倩、王召栋、张洁、郭建强、张京华、冀璐康、张博、苏金勇等同学在实验和生活中给予的无私的帮助。感谢工程塑料实验室的陈士娟、李革、卜文胜、李刚、周勇、乌兰等老师，他们在工作和生活中给予我极大的帮助。感谢何嘉松、胡友良、董金勇、阳明书、张军、甘志华、刘琛阳等研究员，感谢他们在课题进展等方面提出的有益的建议。感谢所有老师、同学和朋友们的关系和支持，以及所有帮助过我的

5、人!最后，由衷的感谢多年来默默支持我的家人和我的女友张蕊，他们的支持和鼓励是我前进的动力!冯龙二零一三年四月于北京摘要石墨烯是由单层的碳原予构成的具有蜂窝状结构的二维片状材料，它具有独特的结构和优异的性能，已经在催化、材料、电子、能源、生物和信息技术等领域显示出了巨大的潜能。其中，制备聚合物／石墨烯纳米复合材料是石墨烯最具希望的应用之～。但是将石墨烯应用于复合材料的过程中的许多问题仍待进一步的研究，比如改性石墨烯简易快速制备，石墨烯与聚合物基体的相容性，以及聚合物基复合材料的组成、结构与性能之间的内在联系等。基于以上问题，本论文采用了两个简单

6、有效的方法制备了有机化改性的石墨烯，并通过原位聚合将其应用于制备聚合物／石墨烯纳米复合材料中，对复合材料的结构和性能之间的关系进行了研究。主要的研究内容和成果如下：l采用了一种简单有效的方法制备了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)／氧化石墨烯(GO)纳米复合材料。利用GO和热共同引发甲基丙烯酸甲酯(MMA)原位聚合制备了PMMA接枝改性的GO，并同时得到了PMM刖石墨烯纳米复合材料。实验过程中证明了GO和MMA共同参与了引发反应，通过傅里叶红外光谱(FTIR)，原子力显微镜(AFM)，透射电子显微镜(TEM)，X射线光电子能谱(XPS)等手段证实了

7、GO表面接枝了PMMA分子链，采用TGA表征了改性石墨烯GO．PMMA，计算得出PMMA与GO的质量比为1．7：1。用TEM和X射线衍射()(】m)对复合材料进行研究发现，改性后的石墨烯在PMMA基体中达到了较好的剥离和均一的分散。改性石墨烯的加入显著改善了复合材料的性能。动态热机械分析(DMA)表明，当石墨烯含量仅为O．5wt％时，复合材料的储能模量比纯PMMA提高了14％，玻璃化温度(Tg)提高了12。C。TGA结果表明，当石墨烯含量仅为0．25谢％时，复合材料的起始分解温度可提高13℃。2采用GO为起始原料，利用GO表面大量环氧基团与氨

8、基十一酸之间的亲核取代反应，在GO的表面接枝有机小分子。FTIR证明了氨基十一酸在GO表面的接枝，XRD证明接枝后石墨片层间距明显增大。将改性后的石墨烯通过原位聚合