1、石墨烯是由碳原子構(gòu)成的單原子厚度的二維層狀材料，具有奇異的特點(diǎn)和優(yōu)異的性能，是當(dāng)前國(guó)際研究熱點(diǎn)，受到物理、化學(xué)、材料、電子、能源、生物和信息技術(shù)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。石墨烯可以顯著地提高聚合物的性能，石墨烯／聚合物納米復(fù)合材料(GPNC)是石墨烯最具希望的應(yīng)用之一。但是，GPNC的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用仍然面臨著許多科學(xué)和技術(shù)問題，其中主要包括三個(gè)方面：(1)石墨烯的高效制備方法；(2)分散性良好的GpNC規(guī)模化制備方法；(3)對(duì)于GPNC性能

2、與微結(jié)構(gòu)的內(nèi)在本質(zhì)關(guān)系的研究。
　　 本論文設(shè)計(jì)了密閉氧化法、氨-水合肼復(fù)合還原法和母粒_熔融復(fù)合法，分別用于制備氧化石墨(GO)、石墨烯和GPNC，具備簡(jiǎn)便、高效和高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)；母粒-熔融復(fù)合法兼顧了GPNC的良好分散性與規(guī)?；苽涞目尚行?，初步解決了GPNC的工業(yè)化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。重點(diǎn)研究了GPNC的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和火安全性能以及相關(guān)機(jī)理。為了研究石墨烯的片層阻隔效應(yīng)、石墨烯片層的導(dǎo)熱性以及

3、石墨烯與聚合物基體之間的界面相互作用對(duì)GPNC結(jié)構(gòu)與性能的影響，選取了聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)和聚苯乙烯(PS)三種與石墨烯具有不同的界面相互作用的聚合物作為基體．基于GO、石墨烯以及不同的聚合物基體進(jìn)行對(duì)比研究，初步揭示了GPNC微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的本質(zhì)關(guān)系，闡明了石墨烯影響GPNC熱穩(wěn)定性和火安全性的機(jī)理。本論文為GPNC的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用奠定了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并初步開拓了切實(shí)可行的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)路線。
　

4、　 設(shè)計(jì)了密閉氧化法和氨_水合肼復(fù)合還原法，從而實(shí)現(xiàn)氧化石墨和石墨烯的高效制備。密閉氧化法是將石墨在反應(yīng)釜中與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑進(jìn)行氧化反應(yīng)的方法，包括加料、低溫處理（溫度為5℃以下，時(shí)間為1小時(shí)以上）和高溫反應(yīng)（溫度為60-160'C，時(shí)間為1小時(shí)以上）三個(gè)步驟。相比于傳統(tǒng)的Hummers法，密閉氧化法簡(jiǎn)化了制備過(guò)程，降低了制備操作和溫度控制的要求，實(shí)現(xiàn)GO的尺寸和形貌的可控性。氨-水合肼復(fù)合還原法是用氨水和水合肼對(duì)GO進(jìn)行聯(lián)合還原的方

5、法。相比于傳統(tǒng)的水合肼還原法，氨．水合肼復(fù)合還原法制備的石墨烯還原程度高，產(chǎn)物中含氧官能團(tuán)——尤其是羥基——數(shù)量少，厚度僅為0.4-0,6mn，是目前最接近理論值（0,34nm）的報(bào)道之一。
　　 設(shè)計(jì)了母粒．熔融復(fù)合法，應(yīng)用于石墨烯/PLA納米復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)工業(yè)加工設(shè)備制備具有良好分散性的GPNCo石墨烯在PLA中形成良好的分散和層離狀態(tài)，顯著地提高了材料的結(jié)晶性能、導(dǎo)電性、力學(xué)性能和火安全性能。從材料的結(jié)構(gòu)和性能的相互

6、驗(yàn)證中，推斷出影響石墨烯／PLA納米復(fù)合材料性能的機(jī)理，研究表明：(1)石墨烯在PLA中形成連通的導(dǎo)電、導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，并存在一定的閾值；(2)石墨烯具有增強(qiáng)GPNC力學(xué)性能的作用，同時(shí)因?yàn)樽韪鬚LA分子間的相互作用而具有降低GPNC力學(xué)性能的作用，兩者的相互競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致納米復(fù)合材料的力學(xué)性能在石墨烯含量為0.08％-0.2%時(shí)出現(xiàn)反復(fù)和拐點(diǎn)；(3)石墨烯的高導(dǎo)熱性是降低石墨烯／PLA納米復(fù)合材料熱解溫度和點(diǎn)燃時(shí)間的主要原因；(4)石墨烯片層的片

7、層阻隔效應(yīng)是降低石墨烯／PLA納米復(fù)合材料的熱解失重速率與熱釋放速率的主要原因。
　　 文獻(xiàn)報(bào)道認(rèn)為石墨烯(或GO)與PVA之間的氫鍵作用是導(dǎo)致納米復(fù)合材料性能增強(qiáng)的根本原因，但是這一論斷與相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律相抵觸。因此，對(duì)GO/PVA和石墨烯/PVA納米復(fù)合材料的分散性、結(jié)晶、電學(xué)性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性等進(jìn)行了對(duì)比研究。GO和石墨烯均顯著地提高了PVA的性能。研究表明：(1)石墨烯的分散性差于GO，但是有更好的性能增強(qiáng)效果，

8、這與相關(guān)文獻(xiàn)一致；(2)氫鍵的作用主要是促使石墨烯或GO形成良好的分散；(3)石墨烯片層自身結(jié)構(gòu)的完整性，即石墨烯晶格結(jié)構(gòu)的完整性，是提高石墨烯/PVA納米復(fù)合材料性能的根本原因；(4)石墨烯片層的片層阻隔效應(yīng)是提高納米復(fù)合材料熱穩(wěn)定性的主要原因，石墨烯的高導(dǎo)熱性是降低納米復(fù)合材料熱解溫度的主要原因，兩者的相互競(jìng)爭(zhēng)使石墨烯/PVA納米復(fù)合材料的熱解溫度隨著石墨烯添加量的增加而先降低后升高。
　　 為了驗(yàn)證母粒．熔融復(fù)合法通過(guò)工業(yè)

9、生產(chǎn)設(shè)備制備GPNC的可行性，以及研究過(guò)渡金屬和石墨烯在提高聚合物材料的火安全性能方面的協(xié)效作用，基于GO、石墨烯、負(fù)載二氧化鋯(Zr-Gr)和負(fù)載氫氧化鎳(Ni-Gr)的石墨烯，通過(guò)密煉機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)制備了以PS為基體的納米復(fù)合材料。母粒中的PS防止石墨烯片層在干燥和加工過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚；熔融復(fù)合過(guò)程中，螺桿對(duì)PS熔體和石墨烯的剪切作用促使石墨烯片層充分層離；兩者的綜合作用使石墨烯在PS中形成良好的分散性和層離狀態(tài)。GO/PS納米復(fù)合

10、材料的熱失重速率峰值對(duì)應(yīng)溫度最大增幅為10.8℃，石墨烯/PS的最大增幅為14.0℃，Zr-Gr/PS的最大增幅為10.5℃，Ni-Gr/PS的最大增幅為17.5℃。以上四種納米復(fù)合材料的熱釋放速率峰值最大降幅分別為23%、34%、42%和41%，CO生成量顯著降低，表明金屬化合物與石墨烯形成了協(xié)同作用。研究表明：(1)實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上通過(guò)母粒，熔融復(fù)合法制備具有良好的分散性的GPNC，為GPNC的工業(yè)化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用

11、奠定了一定的實(shí)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)；(2)通過(guò)GO與石墨烯之間以及PLA、PVA和PS三個(gè)體系之間的相互對(duì)比，證明了石墨烯片層的片層阻隔效應(yīng)和界面相互作用是提高聚合物材料熱穩(wěn)定性和火安全性能的主要原因；(3)過(guò)渡金屬化合物和石墨烯在聚合物材料火安全性能上存在協(xié)效作用。
　　 采用六氯環(huán)三磷腈和環(huán)氧丙醇對(duì)GO進(jìn)行表面修飾，制備出含環(huán)氧基團(tuán)的改性氧化石墨(FGO)，并通過(guò)原位聚合法制備了FGO/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料。FGO與環(huán)氧樹脂之間的化