石墨烯协同无卤阻燃聚乙烯的制备及性能研究【字数：12145】
摘 要本论文以石墨烯改性无卤阻燃低密度聚乙烯，通过控制石墨烯的添加量来研究石墨烯对于阻燃聚乙烯性能的影响。通过熔融共混的物理混合方法将石墨烯分散到聚合物材料中，成功制备了石墨烯协同无卤阻燃聚乙烯。利用FTIR、TG表征合成的阻燃材料，通过拉伸试验研究其力学性能的变化，利用LOI研究材料的阻燃性能，利用熔体指数测试实验研究其流动性能。材料熔体的流动性能下降了30%，断裂强度提高了16%，断裂伸长率下降了36%，极限氧指数数值提高了0.9%。
目录
1前言 1
1.1石墨烯简介 1
1.2 石墨烯的性质 2
1.2.1力学性质 2
1.2.2 热学性质 2
1.2.3 其他性质 3
1.2.4 石墨烯的阻燃机理 3
1.3聚乙烯 3
1.3.1聚乙烯简介 3
1.3.2低密度聚乙烯 4
1.4阻燃剂 4
1.4.1 发展简介 4
1.4.2 无机阻燃剂氢氧化铝 5
1.5阻燃机理 6
1.5.1聚合物的燃烧 6
1.5.2 阻燃机理的分类 6
1.5.3 氢氧化铝和石墨烯阻燃机理 7
1.6论文研究内容 7
2实验部分 9
2.1 设计思想 9
2.2 方案设计 9
2.3石墨烯协同无卤阻燃聚乙烯板材的制备 10
2.3.1实验主要药品和设备 10
2.3.2实验配方 11
2.3.3制备方法和操作流程 11
2.3.4性能测试样条的制备 13
2.4性能测试与表征 13
2.4.1试验所用仪器及设备 13
2.4.2傅立叶变换红外光谱试验拉伸性能试验 13
2.4.3热塑性塑料熔体流动速率测试 14
2.4.4拉伸性能试验 14
2.4.5聚合物热失重试验 14
2.4.6聚合物极限氧指数测试 15
3结果与讨论 16
3.1实验结果 16
3.2红外谱图分析 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
6
3.3 熔体指数分析 17
3.4拉伸性能试验分析 18
3.5热失重试验分析 18
3.6极限氧指数试验分析 19
4总结 21
4.1结果与讨论 21
4.2实验方案的改进与设想 21
致谢 23
1前言
1.1石墨烯简介
/
图11 石墨烯的片层结构
2004年，Geim课题组利用“微机械剥离法”获得了单层石墨烯，并因此而获得了2010年的诺贝尔物理学奖，从而引起了新一轮的碳材料研究热潮。随后，人们开始了对石墨烯物理化学性能的研究，不同于碳纳米管、富勒烯等以往的碳材料在应用方面的局限，石墨烯的应用领域自被发现开始就一直不断的拓展，从超级电容器到电极材料，再到现今的石墨烯阻燃，它的出现为材料学的研究提供了全新的方向[1]。
石墨烯是由单层碳原子通过sp2杂化构成的二维层状物质，晶体结构体现为类似苯环的六边形结构（或蜂窝状结构），并且表面有着十分丰富的官能团，这也为石墨烯的官能团化提供了可能性。石墨烯的晶体结构中每个晶格内有3个连接非常紧密的б键，构成了稳固的蜂窝形构造。石墨烯每一个碳原子有4个价电子，3个电子组成sp2键的同时，另一个未成键的电子在石墨烯的平面上下形成大π键，此时的π键处于半填满形态，电子可以在其中自由穿梭，层与层之间的大π键组成了与石墨烯平面彼此垂直的π轨道，自由电子穿梭于这π轨道，这也是石墨烯优异的导电性能、导热性能的物质基础。石墨烯是已知强度最高的材料之一，更可贵的是石墨烯还兼有出色韧性，且可以弯曲。石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度可达130GPa。石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。随着研究的不断深入开展，石墨烯的诸多奇特物理性能也不断被发掘，如零载流子浓度极限下的最小量子导电率、半整数目子霍尔效应、室温量子霍尔效应、分数量子霍尔效应等。
1.2 石墨烯的性质
石墨烯是一种在常温下能够稳定存在的二维层状新型碳材料，一经发现就受到了诸多研究者的广泛关注。近十年来的研究发现，石墨烯具有不同于其他碳材料的独特物理化学性质，更有明显优于传统金属材料的出色力学性能，这些优异性质具有重要的研究价值和广泛的应用前景。
1.2.1力学性质
石墨烯优秀的力学性能主要原因在于其碳原子的独特链接方式，这是其力学性能的物质基础。石墨烯中的每个碳原子都通过稳定性极强的σ键（目前已知最强的化学键）与其他三个碳原子相连接，未成对的电子形成大π键与相邻的三个碳原子形成稳定的六角形平面结构，正是这种结构赋予其极高的抗压和抗拉性能。但面外离域的π键与相邻层面的π键之间的相互作用力相对σ键来说几乎可以忽略，这也使得两层石墨的剥离非常容易从而形成单层或双层的石墨烯。于对石墨烯进行力学测试的难度很大，目前只有通过AFM（原子力显微镜）的实验方法并结合理论分析才能得到比较接近实际值的力学参数。 哥伦比亚大学的lee课题组利用此方法在实验中测得石墨烯的本征强度为125Gpa，模量为1000Gpa，这与理论预测结果比较一致的，同时也验证了石墨烯是目前人类掌握的力学性能最优的材料[2]。
1.2.2 热学性质
石墨烯的导热性能非常优秀，2008年，Balandin课题组通过用聚焦激光片加热单层石墨烯的方法，在室温下测得单层石墨烯的热导率系数最高可以达到5300 W/mK，这一数值比高温下碳纳米管的热导系数还要高，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高出10倍以上[3]。石墨烯的热血性能来源于其晶格的振动，之所以其热导性能如此优秀，是因为石墨烯的存在的声子和以及独特的边缘缺陷结构，由于涉及非本论文研究的主要领域，顾不再深入探讨。另外，随着温度的升高，石墨烯的热传导速率总体降低，不同于普通材料的导热性质。
目录
1前言 1
1.1石墨烯简介 1
1.2 石墨烯的性质 2
1.2.1力学性质 2
1.2.2 热学性质 2
1.2.3 其他性质 3
1.2.4 石墨烯的阻燃机理 3
1.3聚乙烯 3
1.3.1聚乙烯简介 3
1.3.2低密度聚乙烯 4
1.4阻燃剂 4
1.4.1 发展简介 4
1.4.2 无机阻燃剂氢氧化铝 5
1.5阻燃机理 6
1.5.1聚合物的燃烧 6
1.5.2 阻燃机理的分类 6
1.5.3 氢氧化铝和石墨烯阻燃机理 7
1.6论文研究内容 7
2实验部分 9
2.1 设计思想 9
2.2 方案设计 9
2.3石墨烯协同无卤阻燃聚乙烯板材的制备 10
2.3.1实验主要药品和设备 10
2.3.2实验配方 11
2.3.3制备方法和操作流程 11
2.3.4性能测试样条的制备 13
2.4性能测试与表征 13
2.4.1试验所用仪器及设备 13
2.4.2傅立叶变换红外光谱试验拉伸性能试验 13
2.4.3热塑性塑料熔体流动速率测试 14
2.4.4拉伸性能试验 14
2.4.5聚合物热失重试验 14
2.4.6聚合物极限氧指数测试 15
3结果与讨论 16
3.1实验结果 16
3.2红外谱图分析 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
6
3.3 熔体指数分析 17
3.4拉伸性能试验分析 18
3.5热失重试验分析 18
3.6极限氧指数试验分析 19
4总结 21
4.1结果与讨论 21
4.2实验方案的改进与设想 21
致谢 23
1前言
1.1石墨烯简介
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图11 石墨烯的片层结构
2004年，Geim课题组利用“微机械剥离法”获得了单层石墨烯，并因此而获得了2010年的诺贝尔物理学奖，从而引起了新一轮的碳材料研究热潮。随后，人们开始了对石墨烯物理化学性能的研究，不同于碳纳米管、富勒烯等以往的碳材料在应用方面的局限，石墨烯的应用领域自被发现开始就一直不断的拓展，从超级电容器到电极材料，再到现今的石墨烯阻燃，它的出现为材料学的研究提供了全新的方向[1]。
石墨烯是由单层碳原子通过sp2杂化构成的二维层状物质，晶体结构体现为类似苯环的六边形结构（或蜂窝状结构），并且表面有着十分丰富的官能团，这也为石墨烯的官能团化提供了可能性。石墨烯的晶体结构中每个晶格内有3个连接非常紧密的б键，构成了稳固的蜂窝形构造。石墨烯每一个碳原子有4个价电子，3个电子组成sp2键的同时，另一个未成键的电子在石墨烯的平面上下形成大π键，此时的π键处于半填满形态，电子可以在其中自由穿梭，层与层之间的大π键组成了与石墨烯平面彼此垂直的π轨道，自由电子穿梭于这π轨道，这也是石墨烯优异的导电性能、导热性能的物质基础。石墨烯是已知强度最高的材料之一，更可贵的是石墨烯还兼有出色韧性，且可以弯曲。石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度可达130GPa。石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。随着研究的不断深入开展，石墨烯的诸多奇特物理性能也不断被发掘，如零载流子浓度极限下的最小量子导电率、半整数目子霍尔效应、室温量子霍尔效应、分数量子霍尔效应等。
1.2 石墨烯的性质
石墨烯是一种在常温下能够稳定存在的二维层状新型碳材料，一经发现就受到了诸多研究者的广泛关注。近十年来的研究发现，石墨烯具有不同于其他碳材料的独特物理化学性质，更有明显优于传统金属材料的出色力学性能，这些优异性质具有重要的研究价值和广泛的应用前景。
1.2.1力学性质
石墨烯优秀的力学性能主要原因在于其碳原子的独特链接方式，这是其力学性能的物质基础。石墨烯中的每个碳原子都通过稳定性极强的σ键（目前已知最强的化学键）与其他三个碳原子相连接，未成对的电子形成大π键与相邻的三个碳原子形成稳定的六角形平面结构，正是这种结构赋予其极高的抗压和抗拉性能。但面外离域的π键与相邻层面的π键之间的相互作用力相对σ键来说几乎可以忽略，这也使得两层石墨的剥离非常容易从而形成单层或双层的石墨烯。于对石墨烯进行力学测试的难度很大，目前只有通过AFM（原子力显微镜）的实验方法并结合理论分析才能得到比较接近实际值的力学参数。 哥伦比亚大学的lee课题组利用此方法在实验中测得石墨烯的本征强度为125Gpa，模量为1000Gpa，这与理论预测结果比较一致的，同时也验证了石墨烯是目前人类掌握的力学性能最优的材料[2]。
1.2.2 热学性质
石墨烯的导热性能非常优秀，2008年，Balandin课题组通过用聚焦激光片加热单层石墨烯的方法，在室温下测得单层石墨烯的热导率系数最高可以达到5300 W/mK，这一数值比高温下碳纳米管的热导系数还要高，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高出10倍以上[3]。石墨烯的热血性能来源于其晶格的振动，之所以其热导性能如此优秀，是因为石墨烯的存在的声子和以及独特的边缘缺陷结构，由于涉及非本论文研究的主要领域，顾不再深入探讨。另外，随着温度的升高，石墨烯的热传导速率总体降低，不同于普通材料的导热性质。
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