黄原胶石墨烯复合材料的制备及性能研究

论文总字数：26314字

摘 要

纳米复合材料一般都比较轻巧，各方面性能优良，在各个领域中都有广泛的应用，因此受到当今研究员们的关注。许多研究者正在探寻一种简易，便捷，经济以及绿色的方法来制取拥有分层性，轻巧性和珍珠仿生层的纳米膜。氧化石墨烯/黄原胶是一种排列整齐的水凝胶，其生成原理是通过铁离子和黄原胶的配位反应。我们可以通过干燥水凝胶制取有分层、取向性质的氧化石墨烯/黄原胶纳米复合材料。由于其密实的分层结构，氧化石墨烯\黄原胶纳米膜有较高的机械强度，拉伸强度达到了78.02±3.90MPa，韧性也达到了0.76±0.04MJ·m^-3.除了其优异的机械强度，在平行和垂直方向上此材料也因为还原氧化石墨烯片的各向异性而有着良好导热性。这些结果说明了金属离子的配位可以提供给复合材料更高的机械强度和优良的性能。

关键词：取向，分层，氧化石墨烯，黄原胶，铁离子配位。

Bio-inspired and Iron Ions Induced Hierarchical Xanthan Gum and Graphene oxide Composite Films with Multifunctional Properties

Abstract

Light-weight and high-performance nanocomposites that contain reinforcements with preferred orientation have attracted significant attention because of their wide applications in many fields. Here, hierarchical, lightweight, and thick nacre-mimetic nanocomposite film were developed via a surprisingly simple and rapid methodology, economic, and green pathways. Graphene oxide (GO) and xanthan gum (GX)were forced to rapidly self-assemble into aligned hydrogel via iron ions coordination with GX, oriented and hierarchical GO/GX nanocomposite film was obtained by drying the aligned hydrogel. Due to the preferential formation of conductive and reinforcing networks along the alignment, the hierarchical GO/GX nanocomposite film exhibited high strength of 78.02±3.90 MPa and toughness of 0.76±0.04 MJ·m^-3. Accompanied by the excellent mechanical strength, specific thermal conductivity on the parallel and perpendicular direction was obtained due to the anisotropy of the GO sheets innanocomposite films. These results indicate that metal ions coordination can serve as the basis of a strategy for the construction of integrated, mechanically strong and high-performance GO-based nanocomposites.

Keywords: Orientation, Hierarchical, Graphene oxide, Xanthan gum, Iron ions coordination.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 石墨烯复合材料的应用与前景 1

1.2.1填充聚合物复合材料 1

1.2.2 层状石墨烯聚合复合材料 2

1.2.3 功能化石墨烯聚合物复合材料 2

1.2.4 氧化石墨烯/海藻酸钠复合片 2

1.2.5 氧化石墨烯/聚异丙基丙烯酰胺-稀土水凝胶 5

1.3 黄原胶 7

1.3.1 黄原胶的生物合成法 7

1.3.2黄原胶的制取 8

1.3.3黄原胶发展历史 8

1.3.4黄原胶的应用 8

1.3.5黄原胶的用量 9

1.3.6黄原胶对健康的影响 9

1.3.7黄原胶与金属离子的配位反应 10

1.3.8黄原胶的性质 11

1.4小结 11

第二章 材料和实验 13

2.1 材料 13

2.2 水溶性氧化石墨烯和黄原胶的纳米复合材料制备 13

2.3 GX/GO水凝胶和GX/GO膜的制备 13

2.4仪器使用 13

2.5 GX/GO复合凝胶材料的膨胀系数 14

2.6 GX/GO凝胶膜的机械性能 14

第三章 结果和讨论 14

3.1 GX/GO复合凝胶和复合膜材料的制备 14

3.2 GX/GO复合膜材料的化学结构 15

3.3 GO/GX复合膜的形态结构 17

3.4 GO/GX复合膜的膨胀系数研究 18

3.5 GO/GX复合膜的机械性能 19

3.6 GX/GO-Fe（III）复合膜的热导性 20

第四章 结论 20

参考文献 21

第一章 绪论

1.1 引言

最近，由于常规塑料难以降解以及容易污染环境，在高分子材料领域有一个新的研究趋势：用生物基材料取代原有的常规石油基塑料材料，以更好的保护环境。因此，可生物降解的生物聚合物材料在各个领域引起了广泛的兴趣。最流行和广泛应用的生物聚合物包括脱乙酰壳多糖，藻酸盐，结兰胶，以及来源于植物和动物的黄原胶。它们都是线性聚阴离子多糖。相比于常规石油基塑料，生物聚合物表现出出更脆弱的机械强度，稳定性和多功能性，因此有必要提高生物聚合物各方面性能来提升其实际应用的价值。要克服生物聚合物的这些缺点，有效的方法之一就是把纳米材料和分散纳米填料引入生物聚合物中。

1.2 石墨烯复合材料的应用与前景

2004年，第一篇有关石墨烯的文章由Geim课题组在science上发表出来，而他们只是用最简单的胶带，从热解石墨上反复剥离，最终取得了单独存在，史上最薄的二维晶体材料----石墨烯，并因此在2010年获得了诺贝尔奖。无论是在热学，电学，力学，光学，还是在其他领域内，石墨烯都有优异的表现，研究者们都对此产生了极大的兴趣，石墨烯在各个领域都掀起了应用研究的热潮。

石墨烯自从被发现后，许多研究者就想过把石墨烯和聚合物复合在一起，以制取更多多功能性复合物。早期主要有用膨胀石墨，炭黑等，这些材料在导电聚合物复合材料中作功能化填料，但是此类填料有几个缺点：粒径较大，难以分散等，其综合性能不甚理想。后来，随着碳纳米管，碳纳米纤维的出现，聚合物复合材料的应用得以拓展，问题也得以改善，但是其制作成本过高，难以产业化应用。随着石墨烯被发现并被研究后，研究员发现它有着其他碳系填料的好处，导电渗滤阈值低，成本相对低，容易分散，更适合与聚合物复合。

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