纳米纤维素/氧化石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及性能研究

来源 :桂林理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhoufuhai5933
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纳米纤维素(CNF)是直径为几到几十纳米,长度为几百纳米到几微米不等的天然高分子材料。近来研究发现,CNF表面同时存在亲水基团和疏水基团,使其具有两亲性,能作为表面活性剂或助分散剂使用,对易团聚沉淀物质起到良好分散作用。氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)是一种新型碳纳米材料,具有大比表面积和优异的机械性能,能作为增强剂应用于复合材料。但是,碳纳米管之间存在较强的范德华力及表面缺少活性基团,使其极易团聚,难溶于一般的有机溶剂和水,限制了其应用,因此研究CNT的分散新方法已成为热门课题。本文基于广西特色植物剑麻的开发利用,以剑麻纳米纤维素为分散介质,利用其与氧化石墨烯复合体系中的相互作用,解决在绿色环保介质中有效协同分散多壁碳纳米管(MWNT),并在此基础上制备高性能的复合材料,为纳米纤维素在复合材料上的应用提供参考。(1)结合均质和机械搅拌法制备GO/MWNT、CNF/MWNT、CNF/GO/MWNT分散液,研究CNF、GO、CNF/GO对MWNT的分散效果、最佳分散比例及分散机理。研究表明,GO通过与MWNT之间产生π-stacking作用来稳定碳管,60wt%以上GO能有效分散MWNT;CNF通过静电排斥作用、与MWNT之间疏水作用来稳定碳管,20wt%以上CNF能有效分散MWNT;CNF与GO通过形成氢键作用,协同分散碳管,10wt%CNF和10wt%GO即能协同分散MWNT。(2)以CNF为分散介质,GO为增强介质,MWNT为导电介质,通过机械共混法和真空抽滤法制备CNF/GO/MWNT复合薄膜,研究不同含量GO/MWNT对复合薄膜结构和性能的影响。研究表明,CNF/GO/MWNT复合薄膜拉伸强度随GO含量的增加呈现先增加后减小的趋势,电性能和热性能随MWNT含量的增加而增加,当CNF/GO/MWNT的比例为20/10/70时,复合薄膜的电导率达到236.07 S/m,拉伸强度为25.13 MPa,180-300°C区间材料的热失重为9.45%,最大热分解速率所对应温度达到322.69°C,TEM、SEM结果表明,CNF能有效分散GO/MWNT,形成稳定均匀体系。(3)通过冷冻干燥法和热还原法制备CNF/RGO/MWNT气凝胶,研究不同含量RGO/MWNT对气凝胶电极电化学性能影响。研究表明,CNF/RGO/MWNT气凝胶电极具有良好的可逆性和充放电性能,且比电容随RGO含量的增加呈现出先增加后减少的趋势。当CNF/RGO/MWNT含量为30/40/30时,电极材料电化学性能最佳,当电流密度分别为0.5 A·g-1、0.75 A·g-1、1 A·g-1时,电极材料比电容分别为143.60 F·g-1、115.47 F·g-1和88.08 F·g-1。在1000次恒流充放电过程中,电极电容保留率高达95.4%,展现了良好的稳定性。SEM结果表明,所制备气凝胶电极呈现高度连通,三维网络多孔结构。
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