氧化石墨烯增强PS

东华理工大学毕业设计（论文）引言随着社会的发展，人们对材料的要求越来越高，这使得材料领域的发展也日新月异，新兴材料受到各国研究者的注目，所谓“新材料”就是指那些具有传统材料所不具备的优异或特殊性能的一类材料。作为新材料的新秀新型碳材料具有传统材料所不能比拟的优良性能，如密度小、强度大、刚度好、耐高温、抗化学腐蚀、抗疲劳、高导电、高导热、热膨胀小、生理相容性好等，同时既可成为世界上最硬的金刚石，也可成为世界上最软的石墨，可谓是军民两用的新材料，理所当然，被誉为第四大工业材料。碳元素在地球上分布广泛，其独特的物理性质和多种多样的形态己逐渐被人类发现、认识并利用。1924年确定了石墨和金刚结构;1985年发现了富勒烯1991年发现了碳纳米管2004年，曼彻斯特大学Geim等成功制备的石墨烯是继碳纳米管被发现后富勒烯家族中又一纳米级功能性材料，它的发现使碳材料领域更为充实，形成了从零维、一维、二维到三维的富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及金刚石和石墨的完整系统。而2004年至今，关于氧化石墨烯和石墨烯的研究报道如雨后春笋般涌现，目前，其已成为物理、化学、材料学领域的国际热点课题。石墨层间化合物是近几年来新涌出的一种分子水平上的纳米复合材料，至今，利用石墨来制备石插层纳米复合材料已有不少报道。但是由于石墨本身不亲水不亲油以及无电荷的性质使其不能像层状的蒙脱土一样能通过层间的离子交换反应来实现单体的插层，这在一程度上限制了石墨与一些物质的纳米复合。为使石墨片层能够以纳米尺度与其它物质复合，可以通过两种方法对其进行改性:一是通过热膨胀形成膨胀石墨，以插层复合方式制备纳米复合材料;二是对石墨进行氧化改性制成氧化石墨后再超声处理得到氧化石墨烯并进行纳米复合。近几年来，国内外己有大量GO与多种基体复合的报道，仅被称作GO/聚合物纳米复合材料。2004年后，随着石墨烯单片在普通环境下的稳定存在被证实，以及机械剥离GO制备氧化石墨烯技术的成熟运用，才真正意义上实现氧化石墨烯/聚合物纳米复合材料的合成。但氧化石墨烯的概念运用并不普遍，一些学者仍使用氧化石墨/聚合物纳米复合材料。当然氧化石墨烯并不完全是单层的也可能是多层的。Dikln等用化学方法研制了石墨烯/聚合物导电纳米复合材料和无支撑的氧化石墨烯纸，从而掀起了石墨烯和氧化石墨烯研究的热潮。第1章 石墨烯与氧化石墨烯1.1石墨烯及氧化石墨烯的结构和特征1.1.1石墨烯的结构和特征石墨烯是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，由一层碳原子构成，可在二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料，同时，它被认为是宇宙上最薄的材料，也被认为是有史以来见过的最结实的材料。石墨烯可以认为是其它碳的同素异性体的基础材料，可以想象，将石墨烯包成球状时即可变成OD的C60球体;将其卷成无缝中空管即变成了ID的碳纳米管;将多层石墨烯堆叠放置即变成3D的石墨。其实关于石墨烯的理论研究已有60多年，但真正制备出石墨烯是在2004年第一次成功使石墨层剥离获得独立存在的单层或多层石墨烯。石墨烯与众不同的性质和物理特性吸引了越来越多的研究者，从此石墨烯的研究不再停留在理论阶段。图 1 单片石墨烯的结构及其演变C60，碳纳米管，及石墨的示意图2D结构的石墨烯具有优异的电子特性，且导电性依赖于片层的形状和片层数据悉石墨烯是目前已知的导电性能最出色的材料，可运用于导电高分子复合材料，这也使其在微电子领域半导体材料、晶体管和电池等方面极具应用潜力。有专家指出，如果用石墨烯制造微型晶体管将能够大幅度提升计算机的运算速度，其传输电流的速度比电脑芯片里的硅元素快100倍。近日，某科技日报称，有研究人员展示了由石墨烯材料制作而成的场效应晶体管经测试，其截止频率可达100吉赫兹，这是迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管。石墨烯的导热性能也很突出，且优于碳纳米管。石墨烯的表面积很大，McAlliste等通过理论计算得出石墨烯单片层的表面积为2630 /g，这个数据是活性炭的2倍多，可用于水净化系统。最近，Lee等研究人员选取了一些直径在1020m的石墨烯作为研究对象，对无缺陷的石墨烯的机械特性进行了全面的研究。实验发现，石墨烯在开裂前每100nm距离上可承受的压力居然达到了大约2.9N，这一结果相当于要使lm长的石墨烯断裂须施加55N的压力。可以推算，若能制备出厚度约100nm即相当于普通食品塑料包装袋厚度的石墨烯，那么需要施加差不多20kN的压力才能将其破坏。也就是说，如果将石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品，这个数据是普通食品塑料袋忘尘莫及。1.1.2氧化石墨烯的结构和特征氧化石墨烯是石墨烯的一种重要的派生物，也被称为功能化的石墨烯，它的结构与石墨烯大体相同，只是在二维基面上连有一些官能团。通过表面元素分析(XPS)、红外光谱(FTIR)固体核磁共振谱等表征结果显示，主要是一些含氧官能团，如羟基基、环氧官能团、羰基、羧基等，其中羟基和环氧官能团主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基则处在石墨烯的边缘处，这使其不需要表面活性剂就能在水中很好的分散。一些学者认为，氧化石墨烯能在水中均匀分散，不仅仅是因为stax永OVich等提出的假设，即认为氧化石墨烯良好分散性的原因只是因为氧化石墨烯的亲水性，另一方面可归功于片层表面的静电力排斥，即Li等人提出的氧化石墨烯胶体在水中分散良好原因之二是片层表面羧酸和酚式羟基基团的电离使片层带负电荷，产生静电排斥，从而在水中均匀分散。这个观点与周文明等人的结论不谋而合。图 2 片层氧化石墨烯的结构示意图由于氧化石墨烯表面的极性官能团作用使一些极性有机分子和聚合物可以很容易的与氧化石墨烯形成纳米复合材料。但是含氧官能团的存在，使得碳原子的大键受破坏，因此氧化石墨烯传导电子的能力相对石墨烯要弱很多，这大大限制了它在导电复合材料中的运用。当然，通过氧化石墨烯的还原也可恢复部分碳原子的大键，从而改良氧化石墨烯的导电性，但与天然鳞片石墨剥离得到的石墨烯相比，还原后的氧化石墨烯的导电率大打折扣，Gensll等通过实验用数字证明了这点，实验发现，天然鳞片石墨剥离得到的石墨烯的导电率为104s/cm氧化石墨烯的导电率为10-3 s/cm，还原后的氧化石墨烯的导电率为102s/cm，这充分说明还原后的氧化石墨烯其导电率只是部分恢复，也就是说其片层间仍有部分的含氧官能团。Lilz等通过FTIR光谱分析，就发现氧化石墨烯被肼还原后羧酸基团仍在还原产物里出现，这证实了还原后的氧化石墨烯的片层间仍有部分含氧官能团。从另一角度说，还原后的氧化石墨烯仍就可以靠静电排斥力来实现良好的分散，而不需要添加任何表面活性剂成分，但还原后的氧化石墨烯纳米片层在水中的分散性却明显差于未还原前，这一方面可认为是还原后的氧化石墨烯的亲水性要低于还原前的，另一方面可认为是还原后的氧化石墨烯的静电排斥力也是低于还原前的。stal等人通过元素分析确定氧化石墨烯片层间含水量为25%，而石墨烯的含水量仅为2.8%，这也证明了上述观点。同时，含水量也影响氧化石墨烯的层间距，实验发现，氧化石墨烯的厚度一般在0.6111.2nm之间，szab等认为完全干燥的氧化石墨是不可能达到的。性使其能够吸附大量的水分子，同时赋予了氧化石烯一些新的特性，如分散性与聚合因此，可总结氧化石墨烯表面的含氧官能基一方面赋予了氧化石墨烯的亲水物的兼容性等，但另一方面这些功能基团接入，使层面内的键断裂，因而失去了良好的传导电子的能力。的氧化石墨烯并不是完全丧失含氧功能基团，也就是说使氧化石墨烯和还原后的氧化目前的研究热点是希望制备氧化石墨烯不是完全丧失导电子的能力，而还原石墨烯既有部分功能基团，又保有一定导电能力。氧化石墨烯近年又被发现其另一特点。Dikin等将自制的氧化石墨烯的胶体状分散液在氧化铝滤膜上过滤，获得了一种类似纸的材料氧化石墨烯纸，其特有的互锁或砖墙式的排列结构使其比碳纳米管还强韧，Park等在此基础上加入了少量的镁离子和钙离子，同样制得了氧化石墨烯纸，但其机械刚度和断裂应力都有很大程度的增强。这种比钢铁硬又比碳素纤维柔韧的超级纸张(氧化石墨烯纸)，有望广泛应用于可控透气性膜、电子元件以及燃料电池等领域。1.2石墨烯及氧化石墨烯的制备方法这里重点介绍氧化石墨烯的制备方法，氧化石墨烯的制备分为两步，一是氧化石墨的制备;二是氧化石墨的剥离。1.2.1氧化石墨的制备对于制备氧化石墨，因为大规模制备高质量的石墨烯晶体材料是所有应用的基础。化学法是目前为止制备氧化石墨最为热门的方法。氧化石墨烯化学制备法原理都是将石墨置于某种溶液中一定条件下与强氧化剂发生氧化还原反应，从而在其片层间带上羰基、羟基等基团，也就得到了氧化石墨。目前较为常用的化学方法主要有以下三种，即Brodie法、staudenmaie:法、Hummers法，其中Hu mmers法反应简单，反应时间短，氧化程度高，安全性较高，对环境的污染较小等特点，因而目前制备氧化石墨普遍使用该方法。1.2.2氧化石墨的剥离众所周知，石墨和氧化石墨分别是由石墨烯和氧化石墨烯片层在空间堆叠通过范德华力连接而成的，故可以想象，当施加一定外力克服层间的范德华力时便可以将各片层解离成石墨烯或氧化石墨烯片层。常用的方法有热膨胀和超声分散。热膨胀的原理是通过高温处理使氧化石墨表面的环氧基和羟基等含氧官能团分解成二氧化碳和水蒸气，其蒸气产生的层间压力就可能大于层间的范德华力而使氧化石墨膨胀并剥离成氧化石墨烯，但这种热处理得到的氧化石墨烯剥离不完全比表面积为100/g，远小于理论完全剥离的2600/g，且会造成氧化石墨烯片层折叠成蠕虫状。trattr等用热膨胀法成功制得了氧化石墨烯，通过XRD表征显示石墨衍射峰的全部消失，通过BET法求比表面确定其为单片层结构。McAlliste等和Dai等也通过此方法制备了氧化石墨烯并进一步阐述了热剥离过程的机理。超声剥离的原理是利用超声波强大的能量作用于液体，使其产生很多的微小气泡，这些气泡闭合过程中产生的“空化”效应可形成瞬间高压和局部高温从而使片层迅速剥落而成为氧化石墨烯片。mnesh等对氧化石墨悬浮液进行超声分散，所得的分散液静置数周仍未出现明显沉降，且star等采用同样的方法进一步通过AFM观测其剥离的氧化石墨烯已达到纳米级，证明其已实现完全剥离。Geng等人将天然石墨磷片在甲酸中超声、离心、干燥制备了完全剥离和稳定的氧化石墨烯，与传统方法相比，这种方法的特别之处在于使氧化石墨的制备与剥离同时进行，缩短了近2/3时间，且避免了使用硫酸、氯化物等有毒和环境不友好物质。目前采用超声剥离制备氧化石墨烯比较多，因为超声作用的剥离程度相对较高，且超声前后氧化石墨烯与氧化石墨的化学结构基本不变，也即是说此过程无化学变化，而热膨胀法易使表面的官能团减少，影响氧化石墨烯与聚合物的复合。1.2.3石墨烯的制备对于石墨烯而言，多采用化学还原的方法，去除氧化石墨烯上面的含氧官能团，这样一方面其亲水性减弱，另一方面可以使氧化石墨烯变成石墨烯后导电性增强，但现在一般认为这种还原只是部分还原。Ju等用各种方法制得石墨烯的红外谱图显示，仍有小部分环氧基和羟基存在，故并不能完全恢复它的导电性能。对于氧化石墨还原法制备石墨烯的工艺，我们对还原剂的探讨还在进行中，常用的有纯肼、水合腆等图 3 二甲肼还原氧化石墨烯原理图1.3石墨烯及氧化石墨烯的改性众所周知，石墨烯和氧化石墨烯的表面能较高，若不进行表面处理，就会发生团聚，甚至重新堆积形成石墨。故对石墨烯和氧化石墨烯进行表面改性使其均匀分散于基体中并使氧化石墨烯与基体材料的界面作用增强是复合材料研究应用中至关重要的。文献报道用于表面改性的活性剂主要有阳离子活性剂、有机异氰酸酯、长链脂肪族醇类、烷基胺以及氨基酸等。通过改性一方面是氧化石墨片层间距拉大，另一方面使制得氧化石墨烯更稳定的分散。stax等将氧化石墨进行异氰酸酯改性使氧化石墨的羰基和羟基分别转变成氨基化合物和氨基甲酸盐从而降低其亲水性，过滤后将改性后的氧化石墨分散于DMF溶剂中施以超声波，使氧化石墨片层剥落形成稳定的无明显沉降现象的氧化石墨烯分散液，且在其它极性质子溶剂如、二甲基亚矾、六甲基磷酞胺(HMPA)也能形成稳定的胶状分散体系。另外，xu等利用带有双官能基团的二异氰酸甲苯对氧化石墨烯的锚定作用，合成了兼具亲水和亲油特性的两性氧化石墨。杨建国等人利用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基滨化胺对氧化石墨进行插层改性后再超声，使其表面的亲油性得以改善，同时其表面能降低，层间距增大。xiao等利用长链脂肪族辛醇将氧化石墨改性，制备了聚醋酸乙烯酯/氧化石墨插层复合材料。Liu等人利用大分子量的有机胺盐类如四甲基胺、四乙基胺丙烷基胺和四丁基胺对氧化石墨进行插层改性，所得的插层物通过非晶相的X射线衍射图可看出其氧化石墨已剥离成纳米片层。以上几种方法中，异氰酸酯改性手段运用较多。最近，还有samulski和Tour等提出的“三步法，即(l)用硼氢化钠还原氧化石墨烯;(2)重氮盐改性初还原的氧化石墨烯;(3)用肼再度还原氧化石墨烯。其特别之处在于利用重氮盐反应在石墨烯上引入了芳香基团，这使得还原后的氧化石墨烯的团聚程度明显降低，而且这种方法得到的石墨烯不仅能溶于水还能在有机溶剂乙醇、丙酮、中，这有利于以后氧化石墨烯在复合材料中的运用。stankovich在聚对苯乙烯磺酸钠的溶液中对氧化石墨进行剥离和还原，得到了聚合物包覆石墨烯，一方面使得石墨烯间的接触面积显著降低，另一方面，该方法所得到的石墨烯可以很好的溶于水中且溶液具有极高的稳定性，放置一年也不发生团聚。siml也采用类似的方法，将超声过后的氧化石墨烯分散液用硼氢化钠还原，然后进行磺化处理，将微量磺酸根)引入到片层表面，这样可以防止石墨烯团聚。song等人将氧化石墨烯进行羧基改性，改性后的氧化石墨烯可应用于葡萄糖的检测和缓冲溶液及稀释溶液等方面。1.4石墨烯及氧化石墨烯复合材料研究现状关于石墨烯和氧化石墨烯纳米复合材料的研究是各国研究者的研究热点之一，无论聚合物基纳米复合材料还是无机物类纳米复合材料方面的发展都十分迅速。当然无机物类纳米复合材料的研究理论没有聚合物类纳米复合材料的成熟其很多制备方法及机理等的思路都是借鉴于聚合物基的。目前无机物类的纳米合材料的研究主要集中在电池材料的研究和卤化物插层材料的研究，半导体氧化物的纳米复合材料的制备也有相应的文献报道。Zhan等人将超声后制的的氧化石墨烯先后与一定量的氢氧化铁和氢氧化氨在水的存在下制备了一系列的氧化石墨烯/氢氧化铁的复合材料，这种材料可以有效地检测饮用水中的砷酸盐。singh采用原位复合法制备了铁氧化合物/氧化石墨烯复合材料并研究了体系的结构、流变性、磁性能和电性能等。watcharotone等利用溶胶一凝胶法制备石墨烯/硅复合材料薄膜，这是一种表面光滑、透明的导电陶瓷复合材料，其电导率可由石墨烯添加量以及化学还原方法来实现。这种新颖的材料有望用于太阳能电池、防静电的衣料以及可以自清洁的玻璃窗。Yoshiol等通过溶液法合成了聚已内酯/氧化石墨复合材料，并考查了氧化石墨加入量与复合材料的力学性能和结晶性能之间的关系，实验发现，复合材料的非等温结晶峰温度与填料含量成正比，证明氧化石墨起了成核剂的作用，但其成核作用比石墨弱;其屈服应力和杨氏模量都有所增加，而其断裂伸长率与之相反。verdej成功制备氧化石墨烯/硅树脂复合的多孔材料。这种复合材料具有质轻和良好的热稳定性和散热性，可用于解决大功率设备的散热问题，而且通过SEM表征发现，添加的氧化石墨烯处于泡沫的孔交界处，这样使得每个孔之间都连接更紧密，从而提高了多孔复合材料的机械性能。lily等采用热膨胀剥离法制得氧化石墨烯，并将其与聚甲基丙烯酸甲酯混合，用浇铸法制得了厚度为0.1mm的氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜。实验发现只需加入很少量的氧化石墨烯就可以使复合材料的玻璃化温度、极限应力、杨氏模量以及热分解温度得到提高，作者认为这可能是由于氧化石墨烯良好的分散、纳米片层表面的粗糙、表面积大以及氧化石墨烯与PMMA之间的氢键作用等。对石墨烯及氧化石墨烯复合材料研究，最终将开拓其运用领域，使理论研究转换到。实际运用方面。如制备透明的电极或膜材料用于太阳能电池、航天器的机身、离子导电体、储氢材料、超级电容器、分离技术、催化剂载体、防静电装置及医药、生态学等方面。然而目前巫待解决的仍然是能否大规模低成本的制备无缺陷的石墨烯及氧化石墨烯，新的制备方法有待研究人员的进一步开发。第二章 氧化石墨烯复合材料2.1 氧化石墨烯的增强基体近10年来,国内外已有大量GO与多种基体合的报道,但氧化石墨烯是否实现单片剥离却不确,仅可被称作GO /聚合物插层复合材料。,随着石墨烯单片在普通环境下的稳定存在被证实,以及机械剥离GO制备氧化石墨烯技术的成熟运用,真正意义上实现了氧化石墨烯/聚合物纳米复合材料的合成。常用的聚合物基体有聚苯乙烯(PS),聚苯胺(PANI),聚丙烯酰胺(PMA)聚乙烯(PVA)和聚己内酯(PCL)等。聚合物直接插层法是利用溶剂的作用或通过机械剪切等物理作用将聚合物分子插入具有片层结构的GO中,形成纳米复合材料。这是研究较多的传统方法。一般是将定量的水溶性高分子溶液投入到氧化石墨烯的碱分散液中,然后对生成凝聚物进行过滤、干燥处理。Xu等将聚乙烯醇(PVA)直接混入GO胶状悬浮液中,超声分散后真空干燥制得GO质量分数为10%的PVA /GO纳米复合材料。并指出超声方法可通过空穴气化,扰动等加速扩散。他们还通过热重分析(TG)证实氧化石墨烯的加入能够明显增强PVA的热稳定性。2.2 聚合物插层原理此外,Kaczmarek等专门研究了PVA /GO复合材料在紫外线辐照下的降解性能,由于PVA高分子的表面光交联,质量分数5%的GO能延缓其光降解,并稳定其热降解。Stankovich等在DMF中将聚苯乙烯与超声剥离的异氰酸苯酯改性氧化石墨烯混合随后加入肼水(H2N-NH2H2O)对其化学还原,除溶剂干燥后进行注模热压,制得了导电石墨烯/苯乙烯纳米复合材料。扫描电镜照片显示单个石墨烯片完全分散在聚合物基体中。这类石墨烯片有大的长径比(平均横向尺度为1m,厚度仅为1nm),正是其准二维材料的纳米效应,使得所制复合材料热稳定性显著提高,经300热处理的石墨烯不会发生团聚,而苯乙烯的玻璃化温度仅为100。所得复合材料的电性能可与碳纳米管复合材料相当,石墨烯片的填充量达体积分数0.15%时,复合物的电导率就可满足薄膜的抗静电标准(10-6S/m),填充量超过体积分数0.4%时该值快速增加,1%时为0.1S/m,2.5%时为1S/m。原位聚合插层是将单体溶液与GO胶状分散液进行预先混合,使单体分子插入GO层间,然后投入引发剂引发聚合,使得聚合反应在石墨烯片层间进行,得到的反应液经过后处理即可得到复合材料。另外,由于层间聚合放热产生的膨胀作用使得GO片层之间的间距扩张,有利于进一步的剥离,使得石墨烯在基体中的分散性更均匀,插层聚合方式笔者认为可能如图4所示。图 4 原位插层聚合示意图聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚乙炔等导电聚合物与氧化石墨烯的复合也是目前研究的热点。这主要是由于石墨烯和导电聚合物共轭结构的导电协同作用可增强基体导电性,同时又可实现结构的增强。Seredych等通过将GO和聚苯胺盐混合获得了GO /PANI复合物,并在350煅烧对其进行表面还原发现材料表面还原态PANI对NO2吸附/还原反应具有催化活性。2.3 氧化石墨烯的增强作用邹艳红等采用层离/吸附和原位聚合相结合的方法合成了PANI/GO复合材料。PANI/GO为当量直径约60nm70nm的扁球状纳米颗粒,呈链状聚集,并具电化学活性;PANI以双层平行排列的方式嵌入GO层间并包覆于其表面,PANI/GO修饰炭糊电极识别单链小牛胸腺DNA和双链小牛胸腺DNA时的峰电位分别为90.99mV和18.00mV。Han等在GO表面进行PPy原位聚合,以1,5-二磺酸萘(1,5-NDA)为掺杂剂合成了PPy/GO复合材料,其导电率达7S/cm。此外, PPy与GO的交互作用可显著提高材料的耐热性能,适于作高温电极材料。LeiHua等以GO为引发剂通过聚己内酯(PCL)开环聚合成功合成了PCL/GO复合材料,然后又合成了不同GO含量的复合物,并采用广角X射线衍研究了符合以上所有复合物的解离结构。由于GO在复合材料中分散良好,可观察到GO对PCL结晶过程的成核效应。Weihua Kai等研究了氧化石墨烯作为增强填料对PCL性能的增强作用,发现通过引入GO，PCL的杨氏模量从340MPa增到1000MPa,拉伸强度从15MPa增至26MPa。另外，GO的层间距从0.6nm增至1.1nm，表明PCL分子链已经插入GO层间。正是PCL/GO复合材料的插层结构,使得GO表现出对PCL更大的力学增强作用。此外，GO的成核效应还可使PCL的非等温结晶温度从25提高到34。胡源等利用层离吸收-原位聚合法制备了聚丙烯酰胺/GO复合材料,发现其玻璃化温度可提高21。他们认为复合物耐热性提高的原因可能是:聚丙烯酰胺分子链插层进入GO层间,使其热运动受到氧化石墨烯片晶的限制,降低了分子链的活动性。这些研究为聚合物/石墨烯纳米复合材料在耐火材料领域开辟了新的天地。2.4 聚苯乙烯基体2.4.1 聚苯乙烯缺点聚苯乙烯的平均分子量在20万30万之间。它是透明有光泽的热塑性塑料，透光率8892，折射率为159160。在应力作用下，产生双折射，即应力一光学效应。聚苯乙烯的载荷变形温度为70100，连续使用温度为6080。聚苯乙烯耐腐蚀性尚好，可耐某些矿物油、有机酸、碱、盐、低级醇的作用，但不耐烃类、酮类、高级脂肪酯的侵蚀，溶于芳烃、氯代烃。聚苯乙烯不足之处是耐热性差、不耐沸水、性脆、冲击强度较低，制品有由于内应力而易自行开裂的缺点。2.4.2 聚苯乙烯优点聚苯乙烯虽然有许多缺点，但它以低廉的价格，原料来源广，尤其是具有优良的加工流动性。被广泛的应用于各个领域。针对聚苯乙烯缺点，已经通过各种各样的材料对其进行改性，本文以氧化石墨烯这种新型材料对其进行增强改性，并且通过各种性能测试对改性后的聚苯乙烯进行性能评估。第三章实验与分析。3.1氧化石墨的制备将石墨粉末10g加入两口烧瓶,搅拌下缓慢加入115mL浓H2SO4,控制温度20。待石墨充分分散后,再缓慢加入15gKMnO4,升温至35+3,保温30min。将反应液缓慢加入盛有230mL蒸馏水的1000mL烧杯中,须保持混合液温度在90约30min。在混合液中加入700mL蒸馏水,待混合均匀后,加入50mL双氧水，,放置24h。离心分离出固体,先用5%HCl洗涤3次,再用蒸馏水淋洗3次,产物保持糊状,以便在聚合阶段石墨分散均匀。3.2GO/PS纳米复合材料的制备实验原理：苯乙烯单体与GO混合，苯乙烯单体进入GO的空隙进行插层反应。将预混液涂覆玻璃板上成型。实验药品药品级别用量（）生产厂家苯乙烯分析纯11.845杭州大方化学试剂厂氧化石墨烯分析纯0.193878自制二甲基甲酰胺分析纯适量杭州大方化学试剂厂浓硫酸分析纯适量广州市西陇化工有限公司高锰酸钾分析纯适量大连市金州化学试剂厂氢氧化钠分析纯适量广州试剂厂无水硫酸钠分析纯适量广州试剂厂过硫酸钾分析纯适量广州试剂厂无水亚硫酸钠分析纯适量广州试剂厂蒸馏水二次蒸馏适量自制实验仪器实验仪器烧杯天平玻璃瓶玻璃片温度计测试仪器红外光谱EQUINO-555型傅利叶红外光谱仪扫描图谱Hitachi（日立）S-3400N扫描电子显微镜衍射光谱Y-4Q型X射线衍射仪3.3实验步骤将11.845g聚苯乙烯高聚物溶于50ml的DMF溶液中并搅拌使其完全溶解，配成质量分数为20%的溶液。在将0.193878g的氧化石墨溶解于10ml的DMF溶液中搅拌溶解陪配成2%的溶液。依次分别取5ml的聚苯乙烯溶液6组，并向每组依次加入0mlGO溶液，0.12275mlGO溶液，0.24598mlGO溶液，0.36579mlGO溶液，0.49395mlGO溶液，0.61869mlGO溶液搅拌均匀。如图5所示，依次在载玻片上涂膜让膜自然干燥.聚苯乙烯溶液与GO溶液 不同浓度的聚苯乙烯与GO混合液 图5 图6样品图7 图83.4测试结果与分析X射线衍射图GO含量为零 图9 GO含量为2% 图10从X射线衍射图谱分析，GO的加入并没有使聚苯乙烯产生明显的结晶。从聚苯乙烯的分子结构上分析，它的分子链中含刚性的苯环，且苯环的含量较大，整个分子是刚性极大的。同时其造成的空间位阻也很大，GO的加入不能该改变聚苯乙烯的分子结构，对空间位阻的影响也不大，故GOPS复合材料并没有表现出 GO含量为6% 结晶的性质。这也证实了设计初期的预想，也 图11 进一步证明对苯乙烯结晶的想法并没有多大的意义，应该从其他方面去对其改性与应用。红外光谱 图12红外光谱主要分析有机物的结构与所含官能团，从这张红外图谱来看，在指纹区与官能团的吸收区，聚苯乙烯与GOPS复合材料的红外图谱并没有明显的区别，由此可以证明在GOPS复合材料中并没有大量的生成化学键，或许少量的存在。由此次方案制作的复合材料，没有达到真正的复合只是简单的混合。GO只是起到了填料的作用。按理论分析GO有着极大的比表面积2600m2g，具有很高的表面能应该能与基体生成大量的化学键。但结果并没有达到预期。具体原因可以从以下几点分析。A：GO发生团聚，原因在于没有对GO进行改性，或者在改性操作中所选取的改性方案不佳。并没有使GO达到理想的分散效果。B：材料的成型方法不合理，成型温度，成型时间没有在合适范围内。扫描电镜图GO含量为1% 图13 GO含量为6% 图14电镜扫描图可以观察多项体系的相容性的好坏。总体均匀性与分散度是两个重要的表征。总体均匀性表征如下公式：根据二项式分布计算的方差；样本方差GO含量为10% 图15 分散度的表征则用平均粒径表示有数量平均粒径与体积平均直径之分 数量平均直径 某一粒径 粒子数 粒子体积分数由分散指数的值与电镜的视觉图来分析GO含量为1%的试样总体均匀性不是太高，原因可能是由于预混不充分。从分散度来分析，电镜图中颗粒的粒径分布较宽，说明GO发生较大的团聚。导致粒径分布较大。3.5前景展望与单壁碳纳米管(SWCNT)类似,石墨烯具有热、力、电等优异的性能。但聚合物分子不易进入SWCNT内表面,而氧化石墨烯巨大的比表面积和表面丰富的官能团赋予其优异的复合性能,在经过改性和还原后可在聚合物基体中形成纳米级分散,从而使石墨烯片在改变聚合物基质的