基于石墨納米片的聚乳酸復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、石墨是一種最常見的碳材料，其原料來源廣泛、價(jià)格實(shí)惠。組成石墨的最基本單元是石墨烯，一種碳的二維晶體材料，其以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。廣大科研工作者就石墨烯展開了廣泛的研究，其中包括石墨烯的制備和其復(fù)合材料。石墨烯的制備方法很多，但是往往能制得單片層的石墨烯量很少，得到更多的是厚度不一的石墨納米片。將其與聚合物復(fù)合能夠極大的改善基體的性能，而聚乳酸(PLA)是一種綜合性能較好的生物可降解脂肪族聚酯，但其質(zhì)脆、易彎曲變形等缺陷限制

2、了其應(yīng)用，填充改性是提高PLA綜合性能的有效方法。PLA與石墨納米片復(fù)合制各復(fù)合材料的研究才剛起步，深入研究其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系可以對(duì)制備出滿足不同需求的復(fù)合材料具有指導(dǎo)意義。
　　本文首先以天然鱗片石墨為原料，采用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨(GO)。然后采用溶液共混的方法制備出了不同種類及不同含量的石墨納米片的PLA復(fù)合材料，然后通過形貌表征、結(jié)構(gòu)流變學(xué)以及蠕變與應(yīng)力松弛等手段詳細(xì)研究了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能，并通過粘彈

3、性理論、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型、力學(xué)模型等描述了PLA/石墨納米片復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。
　　(1)利用改進(jìn)的Hummers方法成功制得了GO，通過X射線衍射(XRD)對(duì)GO及其它石墨納米片的進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，石墨經(jīng)氧化后，石墨的特征峰消失，而在11.6°附近出現(xiàn)一個(gè)衍射峰，表明氧化過程使片層間的間距加大。不同厚度的石墨納米片的石墨特征峰隨著石墨納米片厚度的減少而減弱，當(dāng)減小到一定厚度時(shí)，在10～20°之間也出現(xiàn)了一個(gè)饅頭峰，這也說

4、明隨著石墨納米片厚度減小，其長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)被破壞。這一結(jié)果也通過Raman光譜得到進(jìn)一步證明。
　　(2)復(fù)合體系流變學(xué)的研究表明，隨著石墨納米片含量的增加，體系的儲(chǔ)能模量、損耗模量、復(fù)數(shù)粘度都增加，但是由于石墨納米片在基體中的分散性影響，即使在10 wt％石墨納米片，PLAgCs體系也未出現(xiàn)明顯的逾滲行為。在相同的石墨納米片填充的情況下，GO填充的復(fù)合體系具有更高的儲(chǔ)能模量，這是由于GO與基體之間具有良好的親和力。通過對(duì)所得到的數(shù)

5、據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，石墨納米片的加入有效的抑制了內(nèi)部分子鏈團(tuán)的松弛行為。
　　(3)石墨納米片加入PLA中后，對(duì)PLA結(jié)晶后形成的晶體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何影響;無論是在等溫冷結(jié)晶還是在非等溫結(jié)晶過程中，石墨納米片都具有明顯的促進(jìn)PLA基體晶核形成的異性成核作用。但是隨著石墨納米片含量的增加、納米片厚度的降低，結(jié)晶活化能均增加，這是由于具有較大填充體積的填料能夠有效阻礙分子鏈的擴(kuò)散，石墨納米片的成核作用占據(jù)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的主導(dǎo)地位，都導(dǎo)致結(jié)晶速率

6、增加。
　　(4)石墨納米片的加入提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。在填充量相同的情況下，層數(shù)少的石墨烯對(duì)PLA力學(xué)性能的改善效果較好，這是由于層數(shù)少的石墨納米片具有較大的填充體積所致。
　　進(jìn)一步在小應(yīng)力或小應(yīng)變的作用下對(duì)復(fù)合體系的粘彈行為的研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合體系的蠕變和應(yīng)力松弛都對(duì)溫度以及外加應(yīng)力或應(yīng)變具有依賴性。石墨納米片的加入能夠有效抑制復(fù)合體系的蠕變和應(yīng)力松弛行為。隨著石墨納米片含量的增加，蠕變應(yīng)變減小，松弛模量增大，即石墨納米