基于球磨法的多巴胺改性圆片状石墨烯制备及其应用性能研究
石墨烯作为一种理想的新型二维纳米材料，有着独特的理化性能和广泛的应用价值，但成本高、产率低是制约着其推广应用的关键因素。传统石墨烯制备方法都有着各自难以弥补的缺点，如机械剥离法产率太低、气相沉积法设备昂贵工艺复杂、氧化还原法产物结构破坏严重质量较差等。本文采用廉价的原始石墨为原料，通过干冰提供高压球磨环境，以低成本、无污染的方式成功制备了多巴胺原位表面改性的圆片状特殊形貌石墨烯(p-ECG)，深入研究了高压球磨工艺条件对产物p-ECG结构与形貌的影响规律，系统探究了产物p-ECG在树脂基复合材料增强、碳纤维表面修饰、锂离子电池负极材料改性等领域的应用性能。主要工作如下: 1)研究了高压球磨制备p-ECG的机理与最优工艺条件。实验结果表明，制备圆片状的p-ECG需球磨过程中罐内压力达到10MPa以上，加入干冰的质量、球磨转速引起罐内摩擦热造成的高温环境、及球磨时间是决定球磨体系能否达到破坏石墨结构边缘所需能量等级的关键因素。破坏后石墨边缘环会捕捉罐内CO2反应生产羧基，得到边缘羧基化石墨烯（Edge-carboxylated Graphene，ECG），同时球磨过程中提供多巴胺聚合所需要的弱碱性环境，使多巴胺在石墨烯生成同时原位改性，多巴胺与羧基反应并吸附于石墨烯表面，最终生成p-ECG。采用FTIR、XPS、TGA等测试手段表征了p-ECG生成过程中基团、元素等的变化规律，并定量分析了p-ECG上多巴胺接枝率，在此基础上，通过TEM、AFM等表征了p-ECG具有的圆片状特殊微观形貌。 2)探究了p-ECG在复合材料力学、电学等方面的应用潜力。研究发现，p-ECG在填充量为0.5wt％时，环氧树脂基体的刚度增加，环氧复合材料获得了最优的力学性能;p-ECG通过静电吸附作用粘结于T800H碳纤维表面实现了填补沟槽处缺陷的效果，从而显著提高了碳纤维导电性能;同时p-ECG具有趋于吸附于纤维表面的特性，使其在碳纤维树脂基复合材料中能够增强纤维-树脂界面，从而获得良好的碳纤维-树脂界面性能;p-ECG大的比表面积能够与电解液充分接触，缩短锂离子传输距离，p-ECG用于锂离子电池负极时大大提高了电池的比容量和倍率性能。
石墨烯;多巴胺改性;球磨法;力学性能;电学性能
北京化工大学
硕士
材料工程
贾晓龙;常德友
2017
中文
TB383
81
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）