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聚丙烯酰胺_氧化石墨纳米复合材料的研究

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第11卷　第4期2003年12月　材　料　科　学　与　工　艺MA TERIAL S SCIENCE &TECHNOLO GYVol 111No 14Dec.,2003聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料的研究胡　源1,2,张　蕤1,2,徐加艳1,2,宋　磊1,2,3,范维澄1(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥230026;2.中国科学技术大学结构中心,安徽合肥230026,E 2mail :yuanhu @ ;3.中国科学技术大学化学系,安徽合肥230026,)摘　要:氧化石墨具有良好的层状结构,其层间具有丰富的官能团,能与有机聚合物形成插层纳米复合材料进而改善材料的性能.采用层离吸收-原位聚合法制备了聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料,并采用XRD 、HREM 及DSC 等对其结构和性能进行了表征.结果表明,聚丙烯酰胺与氧化石墨两者之间存在着较强的相互作用,材料的玻璃化转变温度得到提高.层离吸收-原位聚合法是获得聚丙烯酰胺/氧化石墨层纳米复合材料的有效途径,聚丙烯酰胺在氧化石墨中存在着多种排列方式,不同层间距(116nm 和218nm )的聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合结构同时存在.关键词:氧化石墨;聚丙烯酰胺;纳米复合材料中图分类号:O613171,O633122文献标识码:A文章编号:1005-0299(2003)04-0337-03Formation of polyacrylamide/graphite oxide nanocompositeHU Yuan 1,2,ZHAN G Rui 1,2,XU Jia 2yan 1,2,SON G Lei 1,2,3,FAN Wei 2cheng 1(1.State K ey Lab of Fire Science University of Science and Technology of China ,Hefei ,230026,China ;2.Structure Lab U 2niversity of Science and Technology of China ,Hefei ,230026,China ;E 2mail :yuanhu @ ;3.Department of chemistry University of Science and Technology of China ,Hefei 230026,China.)Abstract :As a typical two -dimensional solid in bulk form ,Graphite oxide (G O )is composed of layered nanosheets possessing hydroxyl ,carbonyl and ether groups.These functional groups make G O easily absorb polar molecules and polar polymers by different means to form polymer/G O nanocomposites ,which resulted in some physical and chemical properties that are dramatically different from their bulk counterparts.Poly 2acrylamide (PAM )/G O nanocomposites have been prepared by exfoliation/absorption process and in -situ polymerization method and characterized by X -ray diffraction (XRD ),high resolution electronic mi 2croscopy (HREM )and differential scanning calorimetry (DSC )measurements.The results show that it ’s an effective and convenient route for preparation PAM/G O nanocomposite with higher glass transition tem 2perature (T g )since the interaction between PAM and G O.The different orientations of Polyacrylamide in graphite oxide can be seen by HREM corresponding to the d -spacing of 116nm and 218nm ,respectively.K ey w ords :graphite oxide ;polyacrylamide ;nanocomposites收稿日期:2003-05-18.基金项目:国家自然科学基金(资助项目50003008);国家重点基础研究发展规划资助项目(2001CB409600).作者简介:胡　源(1965-),男,博士,教授,博士生导师. 有机聚合物与无机物的纳米复合材料因其各组分以纳米尺寸或分子水平均匀地分散在另一组分的基体中形成超细的结构相,其复合材料的性质比其相应的宏观或微米级复合材料均有较大的改善[1].近年来,国内外对纳米复合材料的研究相当活跃,但大多集中于聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的研究[2～5].石墨是一种典型的层状无机物,经过一定的氧化可得到氧化石墨.氧化石墨具有准二维的层状结构,氧化石墨片层上含有C -OH 基、—COOH 基和环氧基等功能性基团[6,7],这些功能团使得氧化石墨容易吸收极性分子和高聚物并与之发生化学作用形成氧化石墨插层或层离纳米复合材料,进而改善材料的性能,扩展材料的应用领域.关于聚丙烯酰胺/氧化石墨插层复合的研究尚无文献报道.聚丙烯酰胺是一种很好的聚电解质,用途十分广泛,有望将其与层状氧化石墨插层复合以提高其性能.本文采用层离吸收-原位聚合法制备聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料,并借助于X射线衍射实验和高分辨电镜对其结构进行较详细的表征.1　实验氧化石墨的制备是采用经过作者改进的Hummers方法而制得[8].当石墨被高锰酸钾和浓硫酸氧化后,经洗涤和过滤,它变成一种层离的黑色浓胶体.将一定量的湿氧化石墨胶体分散成质量分数为015%过硫酸铵引发剂的丙烯酰胺单体溶液中,在80°C下加热聚合5h后,60°C下烘干,即得到聚丙烯酰胺/氧化石墨复合材料.用日本理光Rigaku Dmax/γA型转靶X射线衍射仪(Cu Kα射线λ=0.15418nm)表征晶体结构(XRD),其扫描速率为0102°/s,扫描范围在2°～30°;采用J EOL2010型高分辨电镜(加速电压为200kV)观察材料的结构.用NETZSCH STR409C热分析仪测定样品的玻璃化转变温度,升温速率为10℃/min,氮气作载气,样品量约为10mg.2　结果和讨论 图1给出了X射线衍射图.从图1a可以看出湿氧化石墨处于层离态,相应于(002)面的的衍射峰已经消失.而干燥后的氧化石墨具有良好的衍射峰图1c,相应于(002)面的层间距从原石墨的0.335nm增大到约0.776nm,具有良好的层状晶体结构.图1d则显示,当丙烯酰胺单体插入氧化石墨层间并原位聚合后,氧化石墨(002)面的衍射峰前移到1113°,相应的层间距为1.64nm,表明通过采用层离-吸收插层和原位聚合法可以获得聚丙烯酰胺和氧化石墨插层纳米复合材料.图2为丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料和丙烯酰胺的X射线衍射图.从图2a中可以看出,丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料的层间距为1.96nm,与聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料(图1c相比,增加了0.32nm.这说明丙烯酰胺在氧化石墨中聚合后改变了其在氧化石墨层间的排列方式.丙烯酰胺的分子尺寸约为0.34nm,单体丙烯酰胺分子在层间可能以双分子排列,而聚合后,形成的聚丙烯酰胺分子链则可能主要以单分子链排列,所以其层间距变小.’图1　湿氧化石墨胶体a、聚丙烯酰胺b、氧化石墨c、聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料d的X射线衍射谱Fig.1XRD patterns of wet graphite oxide colloid a,Poly2 acrylamide b,graphite oxide c and polyacrylamide/graphite oxide nanocomposited.图2　丙烯酰胺/氧化石墨纳米符合材料a,丙烯酰胺b 的X射线衍射图.Fig.2XRD patterns of acrylamide-intercalated graphite oxide a and acrylamide b 图3是氧化石墨的高分辨电镜图.可以直接得出其层间距约为0.8nm,与XRD的实验结果一致.图3　氧化石墨高分辨电镜图Fig.3　HREM image of pristine graphite oxide 图4为聚丙烯酰胺/氧化石墨插层纳米复合材料的高分辨电镜象及其电子衍射图.从图(a)和(b)可以看出在同一个插层复合样品中存在着不同层间距结构的氧化石墨,分别相应于层间距・833・材　料　科　学　与　工　艺 第11卷　116nm 和218nm.从图4c 中可见,衍射斑点发生了歧变并被拉长了,最终连接成了一条线,这进一步说明在聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料中,存在着多种不同层间距的产物,聚丙烯酰胺在氧化石墨层间聚合的过程中可以以不同的结构存在且可以是多层排列.而XRD 图反映的是统计平均的结果,表明大多数仍是以单分子层在层间排列.图4　聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料的高分辨电镜象和其衍射斑点图(a )层间距为116nm (b )层间距为218nm (c )衍射斑点图.Fig.4HREM images and diffraction pattern of Polyacry 2lamide/graphite oxide intercalated nanocomposite 图5给出了在氮气气氛下,升温速率为10℃/min 条件下,聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米符合材料和聚丙烯酰胺的热分析图.图5a 表明聚丙烯酰胺的玻璃化转变温度为173℃,图6为复合材料制备示意图,图5b 表明聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料的玻璃化转变温度为194℃,说明由于氧化石墨与聚丙烯酰胺形成了插层纳米复合材料而提高了聚丙烯酰胺的玻璃化转变温度.这是由于聚丙烯酰胺分子链插层进入氧化石墨层间,其运动受到氧化石墨片晶的限制,且由于其与氧化石墨之间也产生了一定的相互作用,进一步降低了其活动能力,分子链运动更加困难,因此,氧化石墨插层的聚丙烯酰胺的玻璃化转变温度得到提高.图5　聚丙烯酰胺及其与氧化石墨形成的纳米复合材料的热分析图a 聚丙烯酰胺b 聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料Fig.5DSC curves of polyacrylamide a and polyacrylamide/graphite oxide nanocompositeb图6　聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料制备的示意图Fig.6　Scheme of the formation process of the polyacry 2lamide/graphite oxide nanocomposite3　结论1)采用层离吸收-原位聚合法成功地制备了聚丙烯酰胺/氧化石墨插层纳米复合材料,为制备聚合物/氧化石墨纳米复合材料提供了新方法.2)XRD 图和HREM 实验结果证实了聚丙烯酰胺与氧化石墨形成了纳米复合结构,而且同时存在着不同层间距的结构.3)DSC 结果显示,聚丙烯酰胺/氧化石墨插层纳米复合材料的玻璃化转变温度比纯聚丙烯酰胺的显著提高.插层纳米复合是改善聚合物热性能的有效途径.参考文献:[1]RUIZ-HITZKY E.C onducting polymers intercalated in lay 2ered s olids [J ].Adv.Mater ,1993,5(5):334-340.[2]AL EXANDRE M ,ONBOIS D.Polymer -layered sili 2cate nanocomposites :preparation ,properties and users of a new class of materials [J ].Mater Sci Eng :R :Reports ,2000,28(1-2):1-63.[3]TY AN H L ,L EU C M ,WEI K H.E ffect of reactivity oforganics -m odified m ontm orillonite on the thermal and me 2chanical properties of m ontm orillonite/polyimide nanocom pos 2ites[J ].Chem Mater ,2001,13(1):222-226.[4]孔晓丽,刘勇兵,杨　波.纳米复合材料的研究进展[J ].材料科学与工艺,2002,10(4):436-441.[5]范壮军,李建刚,刘　朗,等.天然石墨/陶瓷复合材料的制备及其性能[J ].材料科学与工艺,2003,11(3):301-304.[6]L ERF A ,HE HY ,FORSTER M ,et al.Structure ofgraphite oxide revisited [J ].J.Phys.Chem.B ,1998,102(23):4477-4482.[7]MATSUO Y,W AT ANA BLE K,FUK UTSUK A T ,et al.Characterization ofn -hexadecylalkylam ine -intercalated graphite oxides as s orbents [J ].C arb on ,2003,41(8):1545-1550.[8]HUMMERS W S ,OFFEMAN R E.Preparation ofgraphite oxide [J ].J.Am.Chem.S oc ,1958,80:1339.(编辑　张积滨)・933・第4期胡　源:聚丙烯酰胺/氧化石墨纳米复合材料的研究。

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聚丙烯纳米复合材料的研究及应用

聚丙烯纳米复合材料的研究及应用

聚丙烯纳米复合材料的研究及应用李跃文陈枝晴(湖南科技职业学院高分子工程与技术系，长沙,410118 )摘要：综述了聚丙烯基层状填料纳米复合材料、纤维状填料纳米复合材料、粉状填料纳米复合材料、POSS 纳米复合材料制备方法、结构与性能方面的最新研究进展，介绍了聚丙烯／粘土纳米复合材料的一些实际应用，对今后的研究和开发方向也提出了自己的看法。

关键词：聚丙烯，纳米复合材料，纳米填料，研究进展，应用聚丙烯(PP) 是目前产量最大、发展最快的合成树脂之一，它具有良好的综合力学性能、耐热性、耐腐蚀性能和成型加工性能，应用范围十分广泛。

但PP 低温脆性大，耐老化性能不好，容易燃烧，绝对强度和金属材料相比尚有一定差距，这些使其应用受到一定程度的制约。

共聚、共混、加助剂等传统的改性方法均有一定的局限性，近年发展起来的纳米技术给PP 提供了一种新的改性途径，大量的研究表明，将PP 与纳米组份复合，具有广泛而显著的改性效果。

与传统方法相比，通过形成纳米复合材料对PP进行改性具有如下优点：(1)纳米组份含量很少时即有显著的改性效果；(2)在改善某些性能的同时，几乎不损害其它性能，特别是成型加工性能；(3)改性范围广泛。

1、PP /层状填料纳米复合材料1.1 PP/ 层状粘土纳米复合材料自然界有些粘土矿物具有层状结构，如蒙脱土、累托土、斑脱土等。

在适当的条件下，聚合物分子链能插入到粘土片层之间，使片层层间距扩大，甚至剥离，从而形成纳米复合材料。

由于粘土片层的纳米效应和层状结构，PP/层状粘土纳米复合材料的力学强度、热稳定性、阻隔性、阻燃性均有明显改善。

PP/ 蒙脱土纳米复合材料是研究和开发较早的PP 纳米复合材料。

目前的研究主要集中在熔融共混法制备纳米复合材料及其结构与性能上。

王平华［1］等用钠基蒙脱土(Na-MMT) 和经十六烷基三甲基溴化铵处理过的有机蒙脱土(Org-MMT) 分别与PP 制成了纳米复合材料，实验结果表明，Na-MMT 和Org-MMT 对PP 均有良好的增强增韧效果，但两者填充形态不一样，Na-MMT 以纳米粒子形态填充，Org-MMT 以插层形态填充；另外，Na-MMT 还能诱导聚丙烯结晶晶型发生转变，产生有利于提高聚丙烯冲击强度的3晶型。

高分子材料在能源存储中的应用

高分子材料在能源存储中的应用

高分子材料在能源存储中的应用导言：随着科技的不断发展，能源存储技术在能源领域的重要性日益凸显出来。

其中，高分子材料作为一种具有很好的化学稳定性、强韧性和可加工性的功能材料，其在能源存储领域的应用越来越受到了关注。

本文将主要介绍高分子材料在能源存储中的应用，并分为三个章节进行探讨。

第一章高分子材料在锂离子电池中的应用电池作为一种便携、可重复充放电的能源储存设备，已经成为了人们日常生活中必不可少的一部分。

其中，锂离子电池作为目前应用最广泛、技术最成熟的电池之一，其在移动电子产品、新能源汽车等领域都有广泛的应用。

高分子材料在锂离子电池中的应用主要体现在电极材料方面。

在电极材料中，高分子材料可作为一种使用广泛的导电聚合物胶囊，主要起到保护电解液的作用；另外，高分子材料还可构建多相复合电极，如利用碳纳米管和高分子材料制备的多相复合电极，可有效提高电池的性能和循环寿命。

第二章高分子材料在超级电容器中的应用超级电容器作为一种能量密度较低、功率密度较高的能量存储设备，具有短充电时间、长寿命、无污染等优点，在智能电网、汽车启动、紧急照明等领域得到了广泛应用。

高分子材料在超级电容器中的应用主要表现在电解液方面。

高分子材料可用于制备高分子凝胶电解质，如聚丙烯酰胺(PAN)凝胶电解质，其具有高离子导率、良好的机械稳定性和化学稳定性等优点；另外，高分子材料还可用于制备高分子基的导电纳米复合材料，如高分子基的石墨烯、导电高分子的氧化石墨等，这些材料的使用可大大提高超级电容器的能量密度和功率密度。

第三章高分子材料在燃料电池中的应用燃料电池作为一种清洁的能源转换设备，其具有高效率、低排放等优点，在新能源领域有着广阔的应用前景。

高分子材料在燃料电池中的应用主要体现在电解质膜方面。

在燃料电池中，电解质膜起着隔离阳极和阴极，同时传递质子和离子的重要作用。

高分子材料可用于制备电解质膜，如聚芳酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)等，这些材料具有高温稳定性、耐化学腐蚀等优点，可用于制备高效的燃料电池。

氧化石墨烯增强的高分子复合材料的研究

氧化石墨烯增强的高分子复合材料的研究

氧化石墨烯增强的高分子复合材料的研究氧化石墨烯增强的高分子复合材料是当今材料科学领域备受关注的研究方向之一。

它结合了高分子材料和石墨烯的优点，具有优异的力学性能和热导率，因此在诸多领域都有着广泛的应用前景。

首先，让我们来了解一下氧化石墨烯。

石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有超高的机械强度和导电性能。

而氧化石墨烯是在石墨烯上引入氧原子后形成的材料。

氧化石墨烯具有高度的化学稳定性和良好的分散性，能够与高分子材料充分接触并形成复合材料。

然而，单独的高分子材料往往具有较低的力学性能，无法满足某些特殊需求。

因此，研究人员开始将氧化石墨烯引入高分子材料中，以期望从中得到增强的性能。

通过将氧化石墨烯纳入高分子基体中，可以有效提高材料的力学强度、刚度和耐热性能。

在制备氧化石墨烯增强的高分子复合材料时，研究人员通常采用不同的方法。

一种常见的方法是机械搅拌法。

该方法首先将氧化石墨烯分散在适当的溶剂中，然后与高分子基体进行搅拌。

通过搅拌使得氧化石墨烯均匀分散于高分子基体中，从而增强材料的性能。

除了机械搅拌法，还有其他方法可以制备氧化石墨烯增强的高分子复合材料，例如原位聚合法和柔性基质法。

这些方法在不同的应用领域中发挥了重要的作用。

例如，在航空航天领域，研发出了氧化石墨烯增强的高分子复合材料，用于制备轻质高强度的飞机结构材料。

在电子器件领域，氧化石墨烯增强的高分子复合材料因其导电性能被广泛应用于制备柔性电子器件。

此外，氧化石墨烯不仅可以用于增强高分子材料的力学性能，还可用于提高材料的导热性能。

石墨烯具有极高的热导率，因此将其引入高分子材料中可以显著提高材料的热导率。

对于一些需要散热的应用，如电子器件、电池等领域，氧化石墨烯增强的高分子复合材料具有巨大的潜力。

总之，氧化石墨烯增强的高分子复合材料是一种非常有前景的研究方向。

它结合了高分子材料的可塑性和氧化石墨烯的优异性能，具有广阔的应用前景。

随着研究的不断深入，相信这种复合材料将在各个领域中发挥重要作用，并为我们的生活带来更多的便利和创新。

聚丙烯酰胺的合成进展和应用

聚丙烯酰胺的合成进展和应用

聚丙烯酰胺的合成进展和应用摘要:聚丙烯酰胺是一种应用广泛的高分子材料,它具有耐腐蚀和抗菌性等优良性能。

本文简单地介绍了聚丙烯酰胺在国内外研究现状及其发展前景。

通过近些年对改性研究,主要集中于如何提高其表面张力、拉伸强度以及柔韧性方面进行讨论;最后针对不同配方制备得到的聚合物选择合适反应条件并合成相应单体配比作为实验对象来探讨各种因素对于产品质量与效果之间关系的影响情况及最优工艺参数以找到更多更好性能和更高效方法。

关键字：聚丙烯酰胺；合成；应用引言：聚丙烯酰胺是一种重要的有机高分子聚合物,具有很高的安全性,但也有一些限制性因素导致它不适合应用于实际生产中。

本文主要介绍了聚丙烯酰胺在国内外发展情况、目前研究热点和近几年内关于其改性研究。

其中重点阐述了不同温度下对树脂改性方法及机理进行综述;其次简单说明一下我国聚丙烯酰胺应用现状以及未来发展趋势,对我国聚丙烯酰胺的应用前景及发展趋势进行了展望[1]。

一绪论1.1 聚丙烯酰胺的发展现状随着社会的不断发展,人们对健康问题愈加重视,所以聚丙烯酰胺也就受到了越来越多的关注。

在我国很多地方都出现过此类事件。

例如:江苏、浙江等地发生了一起由苯胺引起的恶性肿瘤;山东临沂地区与日本、韩国和俄罗斯发生恶性淋巴细胞扩散疾病;广东茂名市与美国接壤云南昆明火车站附近北京路癌基因库被杀死后伤及无辜儿童死亡等等,这些事情都是由于聚丙烯酰胺引发而产生的“毒瘤”问题,这些事件的发生都是由于聚丙烯酰胺引起,而不是由其引发。

所以,聚丙二烯酸盐是解决当前癌症、高血脂和心血管疾病等病理性肿瘤问题的重要途径之一。

1.1.1 本文的研究内容、目的和任务随着人们对聚丙烯酰胺的需求量不断增加,我国也开始了这方面的研究,并取得一定进展。

由于各种原因导致生产规模小、产量低且难以再生资源相对匮乏等问题制约着其发展和应用;近年来石油价格上涨速度加快以及油价大幅度提高使原油含氧率降低而天然气产能过剩等一系列因素共同作用致使全球能源结构被进一步调整优化。