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石墨烯具有高机械强度,高导电、高导热以及大比表面积等优点,能够有效改善聚合物的机械强度,并且赋予聚合物复合材料特殊功能特性,这对于制备多功能聚合物复合材料,扩大聚合物复合材料的实际使用范围具有重要的意义。在聚合物基体内部构建三维石墨烯(Three-dimensional graphene,3DG)网络结构是提高石墨烯-聚合物复合材料性能的有效方法。但是在目前常用的3DG网络构筑方法中,存在网络结构不稳定、高能耗以及工艺复杂等问题,这限制了石墨烯填料在聚合物复合材料工业中的大规模使用。基于上述研究背景,本论文主要围绕石墨烯填料在橡胶基体中3DG网络结构的构筑方法以及石墨烯网络结构对石墨烯-橡胶复合材料性能的影响展开研究,主要包括以下几个方面的研究内容:(1)通过水热自组装的方法制备了石墨烯-聚吡咯(RGO-PPy)复合材料,低的氧化石墨烯(GO)浓度和高还原剂用量,有利于RGO-PPy复合材料形成三维多孔结构。更进一步地,通过水热自组装复合、开炼和硫化工艺制备了石墨烯-橡胶复合材料(SBR-RGO-x-S)。与传统胶乳共混法制备的复合材料(SBR-RGO-x-C)相比,因为石墨烯在SBR-RGO-x-C中以无规状分散,在SBR-RGO-x-S中主要以网络结构状态分散,因此SBR-RGO-x-S显示更为优异的机械性能。介电测试结果表明,石墨烯能够有效提升SBR-RGO-x-S的介电常数,同时也会带来介电损耗的增加;还原剂用量的增加会导致介电常数先增加后减小,介电损耗则一直减小。(2)提出了一种制备3DG-橡胶复合材料的全新方法-水热自组装法。GO在水热过程中被还原并自发在橡胶基体中形成3DG网络结构。通过水热自组装-热处理的工艺制备了三维石墨烯-丁苯橡胶(3DG-SBR)复合材料。3DG网络结构的存在可以形成导电通路,有效地改善聚合物复合材料的导电性能。热处理过程可以脱除RGO-PPy填料表面的部分含氧官能团,提高复合材料的导电性,还能增强填料和SBR基体间的界面相互作用,提高聚合物复合材料的机械性能。通过后浸泡的简单方法,在3DG-SBR复合材料中引入银颗粒(AgPs),进一步提高复合材料的导电性能,电导率高达512 S/m。水热自组装法具有原料易得、工艺简单等优点,为规模化制备三维石墨烯-聚合物(3DG-P)复合材料提供了新的技术路线。(3)采用强碱氧化处理以改善六方氮化硼(h-BN)在GO溶液中的分散性。进一步地,通过水热自组装工艺制备了石墨烯-氮化硼纳米片(RGO-BNNS)复合材料,RGO-BNNS中BNNS以插层的形式进入石墨烯片层之间,RGO片层之间的有序堆叠结构被破坏,形成插层结构。TGA结果说明BNNS的加入能够提高RGO-BNNS复合材料的热稳定性。通过水热自组装制备的石墨烯-氮化硼-丁苯橡胶(RGO-BNNS-SBR)复合材料的热稳定性相比于纯SBR有所提升,RGO、BNNS填料与基体间有良好的界面相容性,水热自组装过程中形成的石墨烯网络结构得以保存,BNNS在高含量下有轻微的团聚现象。RGO-BNNS-SBR复合材料的导热性能相比于纯SBR-RGO有一定的提升,在BNNS含量为9.71 wt%,其热导率为0.184 W/m.k,提高了36%。这证实了水热自组装法在制备石墨烯-聚合物复合材料中的通用性和可行性。