聚多巴胺还原氧化石墨烯对环氧树脂固化动力学及其力学性能影响机制的研究
石墨烯具有出色的性能，被视作高性能复合材料的理想填料。然而，由于石墨烯层间存在强的相互作用，纳米尺度的石墨烯很容易团聚或者堆叠，难以在复合材料中均匀分散，极大限制了其力学等性能的充分发挥。本文基于采用贻贝启发的多巴胺的自聚合及还原特性，对氧化石墨烯(GO)进行了一步法化学还原与改性，成功制备了聚多巴胺还原氧化石墨烯(pDop-rGO)并进行了形貌和结构的表征分析，在此基础上系统研究了pDop-rGO对环氧树脂固化动力学的影响规律，深入探讨了pDop-rGO的分散状态与表面化学活性对环氧复合材料力学等性能的影响机制，建立了pDop-rGO对环氧复合材料的增强机制。主要工作如下: 1、采用原位一步法成功制备了聚多巴胺还原氧化石墨烯(pDop-rGO)。通过红外和元素分析研究GO改性前后表面官能团和元素含量的变化，应用热失重测试研究了其热稳定性，采用扫描、透射和原子力显微镜对GO和pDop-rGO的微观形貌进行观察。结果表明，相比于原始GO，pDop-rGO在1515cm-1处出现了N-H振动峰，同时在399.8eV处出现了N1s峰;热失重由GO的57.40wt.％减小到了50.78wt.％;pDop-rGO和GO的微观结构很相似，pDop-rGO的厚度由GO的0.69nm增至0.98nm。 2、基于非等温DSC测试方法，同时应用Friedman和Malek等理论方法，系统研究了GO和pDop-rGO对EP体系的活化能和固化机理的影响规律。研究发现，相比于EP和EP/GO体系，pDop-rGO的加入降低了固化反应活化能，提高了树脂体系的固化反应活性，这归因于pDop-rGO表面的胺基团。 3、基于力学测试、DMTA和Raman等表征手段系统探讨了pDop-rGO的分散状态与表面化学活性对环氧复合材料力学等性能的影响机制，建立了pDop-rGO对环氧复合材料的增强机制。研究表明，由于pDop-rGO表面具有高的化学反应活性，pDop-rGO比GO有更好的分散状态和增强效果，加入pDop-rGO后树脂的力学性能明显提高，且添加量为0.2wt.％时性能最佳。此外，Raman测试表明外部应力由基体有效地传递到了pDop-rGO上，pDop-rGO的有效模量达到了107GPa，GO经过多巴胺改性后与环氧树脂间有更好的界面结合。
复合材料;多巴胺;氧化石墨烯;制备工艺;环氧树脂;固化动力学;力学性能;增强效应
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
贾晓龙
2016
中文
TB332
86
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）