石墨烯/聚乳酸纳米复合材料的制备及其性能研究(2)

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2.4.2 透射电子显微镜观察（TEM） 8

2.4.3 红外测试（IR） 8

2.4.4 拉曼光谱测试 8

2.4.5 扫描电子显微镜观察（SEM） 8

2.4.6 热重分析（TG） 8

2.4.7 动态力学分析（DMA） 9

2.4.8 电子拉力测试 9

3 结果与讨论 10

3.1 透射电子显微观察（TEM） 10

3.2 红外测试（IR） 10

3.3 拉曼光谱测试 11

3.4 扫描电子显微观察（SEM） 12

3.5 热重分析（TG） 13

3.6 动态力学分析（DMA） 15

3.7 拉伸力学性能测试 16

结论 18

致谢 19

参考文献 20

1 引言

1.1聚乳酸概述

聚乳酸(PLA)是一种兼具生物相容性[1]和生物降解性[1]的热塑性高聚物，降解时，其分子链上的酯基断裂最终产生CO2和H2O，这两种物质对环境和人体都无毒，因此，在白色污染越来越受重视的今天，可生物降解的聚合物备受关注。同时，合成聚乳酸的原料—乳酸来源丰富并且可再生[9]，因此引起了科研领域和生产领域的研究兴趣。不仅如此，聚乳酸还具有以下优点，它的可加工性[8]好，生物相容性[1]好，因此在包装领域，医药行业等方面得到了广泛应用。但聚乳酸也存在一些缺点，用乳酸为原料合成的聚乳酸分子量为五万到二十万，但是分子量分布较宽，并且聚乳酸分子链为刚性的线形分子结构，这就导致了它的抗冲击强度低，韧性差。聚乳酸的耐热性差，在较高温度190℃以上加工时，聚乳酸(PLA)的分子量下降较明显，从而影响了聚乳酸的力学性能，这些都不利于它的应用。为了提高聚乳酸的力学性能和热学性能，使其具有更高的商业价值，则有必要对其进行改性。

为改善聚乳酸的性能缺陷，研究者们做了不少工作，总结起来，改性方法分为物理法和化学法[1]。化学方法包括共聚、交联、表面修饰等，物理法分为共混和复合等[1]。化学改性从根本上即分子结构上改善聚乳酸的韧性和热稳定性等性能。但是制备过程包含一系列复杂的化学反应，制备过程繁琐。物理改性则省去了化学反应，制备过程中，只需选用合适的填料和配比对其进行改性即可。并且，共混和复合得到的混合物不仅仅是两组分性能的叠加，还会因为协同效应而表现出新的性能。一些研究者通过在聚乳酸中添加不同分散相的方法[9]，提高它的某种性能，如在其中添加纳米填料，抗冲击改性剂，阻燃剂，增塑剂或与其他聚合物共混。其中，把纳米填料碳纳米管添加到聚乳酸的研究表明，加入之后，聚乳酸的力学性能，热学性能和阻燃性能等都有所改善。但是，碳纳米管的生产成本高[9]，这限制了聚乳酸（PLA）的工业应用，所以很有必要再研究一种填料来替代碳纳米管。其中，石墨烯的生产成本较碳纳米管低，并且石墨烯与碳纳米管一样，具有很高的强度，超大的比表面积和很好的耐热性。

1.2 石墨烯概述

1.2.1石墨烯的结构和性能

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料[2]。自2004年Geim [16]等人采用微机械剥离法制备出石墨烯以来，它就引起了物理界和化学界极大的研究兴趣。石墨烯是继零维C60，一维碳纳米管后的又一伟大发现，它特殊的纳米结构赋予了其非常优异的性能。尽管石墨烯只有一个碳原子的厚度[2,12]，只有0.34nm，是已知材料中最薄的一种，但它的机械强度高，杨氏模量高达1060 GPa。这主要是因为在石墨烯的结构中，每个碳原子都是通过σ键与邻近的三个碳原子相连[3]，形成SP2杂化结构，这种作用力强的共价键从根本上决定了石墨烯优异的力学性能。同时，石墨烯具有很好的导电性，其电导率达到104S/cm，究其原因在于剩余的Pz轨道的兀电子在与平面垂直的方向形成л轨道[3]，构成了共轭体系，此л电子可以在石墨烯晶体平面内自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性[3]。另外石墨烯的热稳定性好，具有超大的比表面积2600m2/g[3]，石墨烯可望在纳米电子器件、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料以及超灵敏传感器等领域得到广泛的应用[2]。其中，石墨烯超大的比表面积[12]和较低的生产成本（相对于碳纳米管）[9]，为高性能复合材料的开发和大规模生产奠定了基石。研究表明，当把石墨烯纳米填料加入到聚合物中时，只需要较少的量就可以明显改善聚合物的性能[16]，这是其它一些微米级填料如玻璃，纤维等所不能比的。这样就可以使得聚合物的性能变得更加优异，从而扩大了它的应用范围，使其具有更大的商业价值。