聚氧化乙烯复配石墨烯纳米片改性聚乳酸研究

作     者：曾倩倩 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王亚明

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚乳酸 石墨烯纳米片 聚氧化乙烯 力学性能 结晶 电磁屏蔽性能 

摘      要：聚乳酸(PLA)作为一种可生物降解的生物基脂肪族聚酯,被广泛应用在食品包装和生物医疗器材等方面。然而,PLA具有质脆、结晶速率慢、热稳定性低等缺点,限制了它更为广泛的应用。石墨烯纳米片(GNPs)因其良好的力学性能、热性能、电性能、以及电磁屏蔽(EMI)性能被广泛用于改性PLA。但是,GNPs在聚合物基体中的分散问题仍然是影响其性能发挥的关键因素。聚氧化乙烯(PEO)是一种重要的水溶性聚醚,和PLA之间具有良好的相容性,因此,常被用来作为PLA纳米复合材料的增塑剂或者增容剂。本论文首先研究了PEO分子量对其复配GNPs改性PLA的影响,随后,探究了GNPs的含量对其复配PEO改性PLA性能(特别是EMI性能)的影响。主要研究结果如下:(1)研究了PEO分子量对其复配GNPs改性PLA的影响。将GNPs分散到PEO水溶液中,冷冻干燥后制得PEO/GNPs母料,然后将母料与PLA熔融混合得到纳米复合材料。评价了三种不同分子量PEO的影响。结果发现,添加非常低含量的PEO(1 wt%)就能改善GNPs在PLA基质中的分散,并且在不明显牺牲其模量和拉伸强度的前提下显著改善了PLA/GNPs的断裂伸长率。与此同时,PEO在促进PLA结晶方面显示出与GNPs的协同作用。此外,GNPs的添加提高了PLA的热稳定性,而进一步添加PEO并没有明显降低热稳定性。低分子量的PEO在改善PLA/GNPs纳米复合材料的性能方面表现出最好的效果。(2)探究了GNPs的含量对其复配PEO改性PLA性能(特别是EMI性能)的影响。用溶液法配置的PEO/GNPs母料与PLA粒料熔融共混制备了PLA/PEO/GNPs纳米复合材料。引入不添加PEO的PLA/GNPs纳米复合材料和进一步添加1 wt%CNTs的PLA/PEO/GNPs/CNTs纳米复合材料作为对照组进行对比分析。发现PEO与GNPs复配的方法能够在一定程度上改善GNPs的分散性,提高电导率,进而提高材料的EMI效能(SE)。随着GNPs含量的增加,材料发生“液固转变,断面形貌证实了转变的发生是由于GNPs导电网络的完善,因此SE也逐渐增加。当GNPs含量达到15 wt%时,0.5 mm厚的样品SE可达到13 d B,反射损失是主要的屏蔽机制。GNPs含量增加导致PLA结晶度下降,但是材料热稳定性,拉伸强度和模量显著提高。对含有6 wt%GNPs的PLA/PEO/GNPs纳米复合材料,进一步添加1 wt%的CNTs使导电通路更加完善,SE可达到将近10 d B,这一数值要高于含有9 wt%GNPs的纳米复合材料。热稳定性、拉伸强度和模量也同样增加。这说明添加两种不同结构的纳米填料到聚合物基体中是改善聚合物性能的一种高效方法。