石墨烯/聚醚醚酮导电复合材料的制备和性能研究

【摘要】基于石墨烯优异的电学、热学和机械性能，人们开发出多种石墨烯改性的功能性聚合物基复合材料，改性研究主要有三方面的工作：剥离天然石墨得到具有高比表面积的石墨烯；发展一种有效的方法来加工和表征石墨烯填充型聚合物基复合材料；理解材料加工方法、结构和性能之间的关系。本论文主要采用石墨烯来研究石墨烯/聚醚醚酮导电复合材料，这类复合材料在静电防护、电磁屏蔽领域有广阔的应用前景。采用改进的Hummers方法由氧化石墨烯（GO）制备剥离的石墨烯片层。氧化石墨烯通过硅烷偶联剂KH550修饰后，经两步还原即水合肼还原和低温热还原。修饰后的石墨烯(CRG-KH550)提高了在聚醚醚酮（PEEK）基体中的分散性和与基体的界面结合力，尽管修饰后石墨烯热稳定性和本征电导率有些降低，但对得到高强度和低渗流阈值导电复合材料还是有利的。首先，采用常规的聚合物复合方法熔融共混后热压成型制备了CRG-KH550/PEEK复合材料，研究了石墨烯含量对复合材料的电导率、结晶行为和热稳定性的影响。相比于传统的熔融共混、注塑成型的复合材料，CRG-KH550/PEEK复合材料渗流阈值较低，达到0.2vol%。CRG-KH550/PEEK复合材料结晶行为研究表明，在低石墨烯添加量时填料表现明显的成核效应，导致PEEK结晶温度和结晶度有所增加；在较高的石墨烯添加量时，填料粒子增多限制了PEEK链段的规整排列进而阻碍了结晶过程。CRG-KH550的加入并没有降低PEEK基体的热稳定性，说明CRG-KH550满足复合材料熔融加工的条件。为了进一步提高复合材料电导率，我们采用高温裂解热还原的石墨烯来制备复合材料，热还原石墨烯（TRG）采用氧化石墨经高温快速裂解得到，尽管热处理时的表面缺陷导致石墨烯结构的面内扭曲和尺寸的降低，但TRG仍具有较高的电导率，极高的热稳定性满足了和大部分聚合物的熔融加工条件。采用聚醚砜修饰的石墨烯（m-TRG）极大地提高了其在聚醚醚酮基体中的分散能力，得到的m-TRG/PEEK复合材料具有较高的电导率，在填料量3.84vol.%时电导率高至0.18Sm-1，m-TRG/PEEK复合体系渗流阈值是0.76vol.%。复合材料具有较好的机械强度，拉伸强度和模量与其他商用填料像碳纳米管、天然石墨等增强的PEEK复合材料相当。由于TRG具有较高的热稳定性，m-TRG/PEEK复合材料热稳定性提高明显，5%热失重温度和10%热失重温度分别提高了24℃和28℃。微观形貌研究表明，m-TRG在基体中具有良好的分散性。本文的研究成果主要是基于聚醚醚酮树脂较高的熔融加工温度和熔体粘度研究揭示了石墨烯的不同制备方法、形貌与聚醚醚酮复合材料性能间的关系，从而利用这些关系选择合适的改性和加工方法，合理地调控材料性能来满足不同领域的应用需求。
【作者】杨丽龙；
【导师】王贵宾；
【作者基本信息】吉林大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】石墨烯；导电性；聚醚醚酮；复合材料；

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