氧化石墨烯/聚偏氟乙烯復合膜的研究

王盈涵

(濟南大學，山東 濟南 250002)

0 引言

在諸多領域的工作中，普遍使用聚偏氟乙烯的材料，此材料具有很好的耐熱性以及穩定性等特點，且在力學性能方面表現也十分優異，其在加工中具有較寬溫度，十分易成膜。但材料導熱性能比較差，在傳熱的領域中受到了應用限制。而氧化的石墨烯具備很好導熱性，可將其看作是單層狀態氧化石墨類型，將其和PVDF(聚偏氟乙烯)結合使用，所形成的復合膜往往呈現出優異性能，因此現階段對相關領域的研究也十分關注。

1 實驗研究

1.1 實驗材料和試劑

在此實驗中，所用的試驗材料和試劑主要有天然石墨、H2SO4(濃硫酸)、HCI(濃鹽酸)、NaNO3(硝酸鈉)、30%質量分數H2O2(過氧化氫)、DMF(N-N二甲基甲酰胺)、PVDF(聚偏氟乙烯)等。

1.2 儀器設備

在此實驗中，所用的試驗儀器設備主要有超聲波的清洗器、掃描電子式顯微鏡、透射電子式顯微鏡、萬能的試驗機、導熱系數的測量儀等。

1.3 實驗樣品的制備

(1)制備氧化石墨烯。在此實驗中，對氧化石墨主要通過Hummers法實施制備。先將天然石墨0.5 g和硝酸鈉0.25 g共同加入到12.5 mL容量濃硫酸內，在冷卻到0 ℃后再進行均勻性混合；對上述的混合物進行高錳酸鉀1.5 g緩慢加入，并對混合物的溫度控制在20 ℃之下；對冰水浴撤去，在33～38 ℃范圍內維持2 h反應；再進行去離子水23 mL緩慢加入，此過程反應要求溫度升到98 ℃且維持0.5 h的反應；采取水70 mL的量以及一定過氧化氫加入其內，就能夠對殘留高錳酸鉀以及二氧化錳物質實現還原處理，此時所得混合物就會從原來的褐色逐漸變為亮黃色的狀態；對鹽酸與溫水以1:10質量比例實施混合，后分別開展3次的過濾與清洗處理，后把所獲取氧化石墨向透析袋內放置，并通過去離子水實施透析出，一直到BaCl2的溶液內檢驗沒有存在，且通過AgNO3的溶液檢驗沒有CI-；把所得氧化石墨向60 ℃真空的干燥箱內放置并進行24 h的真空干燥，后密封進行保存[1]。把一定量的氧化石墨在DMF內溶解，并進行2 h的攪拌，后通過超聲的清洗器對其實施2 h的處理，實現對氧化石墨有效剝離，最終就能夠實現將氧化的石墨烯其DMF的分散液獲得。

(2)制備復合膜。對通過上述方法所獲取氧化石墨烯其DMF的分散液內，取相應量PVDF向此分散液內實施溶解處理，進行12 h的機械性攪拌，進而就能夠使PVDF分散液呈現出均勻性的狀態，后對上述分散液采取3 h時間的靜置脫泡處理，獲取呈現棕褐色狀態的鑄膜液類型。后取相應量鑄膜液，向具有良好潔凈性和水平性的玻璃板上進行倒入，再放置到40 ℃溫度烘箱內保持6 h的時間，實現對溶劑的有效蒸干處理，就能更獲取此復合膜。要求此復合膜的厚度為0.5 mm左右，規格在150 mm×200 mm的大小范圍。

1.4 對氧化的石墨烯表征的處理

(1)對氧化的石墨烯形貌表征的處理。此實驗內，通過TEM (透射電子式顯微鏡)來對氧化的石墨烯具有的微觀性結構實現表征的觀察和分析。對完成干燥處理的氧化石墨進行一定量的取出，借助超聲手段對其以去離子水方式實施分散性處理，進而就能夠獲取0.01 mol/L濃度均勻分散性的水溶液，再選取一滴溶液向相應的銅網開展滴落處理工作，完成烘干后對TEM的表征實施處理[2]。

(2)對氧化的石墨烯紅外表征的處理。把氧化的石墨烯相應量水溶液在60 ℃溫度條件放置，且完成24 h的真空干燥處理，后對干燥后的約1.5 mg樣品去除，并以傅里葉的紅外式光譜儀實施測試，要求測試在500～4000 cm-1的區間內。

(3)對氧化石墨烯XRD(X射線的衍射)表征的處理。對石墨晶體以及氧化的石墨烯粉實施分別進行一定量的獲取，對它們實施X射線的衍射測試處理，要求測試保持在5～50°的范圍。

1.5 對氧化石墨烯/聚偏氟乙烯的復合膜表征處理

(1)對此復合膜形貌的表征處理。借助掃描電子式顯微鏡對上述聚偏氟乙烯膜以及復合膜表面、斷面實施表征的觀察，對此膜的斷面通過液氮內淬斷后獲取，全部樣品測試前均在表面實施噴金處理。

(2)對此復合膜力學性能的測試。根據相關規范標準，把復合膜制作的樣品為寬10 mm和長200 mm規格，后通過萬能式試驗機來對此復合膜針對拉伸強度實施測試，且要求拉伸的處理要在每分鐘保持10 mm的速率狀態。

(3)對此復合膜導熱系數的測試。通過導熱系數的測量儀來對此復合膜具有的導熱率實施測試，把此復合膜按照寬30 mm和長50 mm實施樣品制作，后將2片樣品分別放置于測試電極的兩端，再實施壓置并完成測試，要求每個樣品處于恒定的溫度進行3次測試處理，且每次的測試都要以2 min當作時間間隔進行。

2 實驗的結果和討論

2.1 對氧化的石墨烯表征情況分析

(1)對氧化的石墨烯形貌情況分析。出于對氧化的石墨烯形貌進行了解，以透射電子式顯微鏡來對氧化的石墨烯實施表征，從而得到圖1所示氧化的石墨烯透射電鏡的照片情況[3]。

圖1 氧化的石墨烯透射電鏡的照片圖

從上圖1情況能夠知道，此氧化的石墨烯存在不均勻的厚度，且褶皺也是隨機性的分布狀態，而這就表明此氧化的石墨烯褶皺產生可能是其并未以完全性鋪展的狀態存在而形成，或此合成氧化的石墨烯并非都是以單層的狀態存在，可能一部分存在幾層的單片重疊的情況。

(2)對氧化的石墨烯紅外圖譜的表征情況分析。在上圖內3000到3700 cm-1范圍間，呈現出較寬和較強類吸收峰類型，其表示-0H cm-1伸縮振動的峰，而若氧化的石墨烯內存在水分子殘留的話，也會對其測試情況產生影響。在2930 cm-1和2860 cm-1位置附近，呈現出吸收峰的狀態，它們是分屬CH2反對稱和對稱伸縮的振動類型；在1740 cm-1位置附近，呈現出吸收峰的狀態，它表示羧基內的C=0部分伸縮振動的峰；在 1640 cm-1位置附近，其吸收峰以及水分子受到變形振動產生的吸收峰是相互對應的，而這也說明此樣品盡管在測試前實施干燥性處理，但仍然還存在殘存水分子；在1400 cm-1位置附近吸收峰是屬 C-OH 部分伸縮振動的峰；在1080 cm-1位置附近，所呈現出吸收峰的狀態，它表示C-O-C部分振動吸收的峰。在以紅外手段實施測試后得出結果，氧化的石墨內存在含氧的基團量是比較多的。

2.2 對復合膜表征情況分析

(1)此復合膜形貌特征分析。對PVDF的膜表面、復合膜的表面通過電子式顯微鏡掃描，獲取的照片分別是下圖2中(a)和(b)，而圖2中(c)、圖(d)則分別是PVDF的膜斷面和復合膜的斷面電子式顯微鏡掃描的照片。

圖2 純PVDF的膜表面、復合膜電鏡掃描圖

對上圖2中(a)和(b)進行觀察分析得知，復合膜其表面是比PVDF的膜表面更加粗糙的；氧化的石墨烯在此復合膜內具有較低的含量，且在此膜的初始形成期間，其鑄膜液的上表面部分內溶劑最先出現蒸發，進而形成了一層具有特別薄特點的致密性皮層，所以在表面很難對大量氧化的石墨烯實現有效觀察。對上圖2中(c)和(d)進行觀察分析得知，PVDF的膜斷面較為平滑，但復合膜斷面存在氧化的石墨烯片層結構。此氧化的石墨烯和PVDF間存在模糊的界限，這說明了兩者具有較好相容性。

(2)對復合膜機械性能的分析。根據測試結果得知，在膜中隨氧化的石墨烯質量分數增大，復合膜拉伸的強度是呈現出先增后減的狀態，且比PVDF的膜都高。在的氧化的石墨烯質量分數達到0.4%，具備最大拉伸的強度。在氧化的石墨烯具有質量分數不足0.4%，此氧化的石墨烯和PVDF間就存在作用力，且此作用力促進復合膜拉伸強度的提升。

(3)對復合膜導熱性能的分析。對實驗得到的圖表進行觀察和分析，在復合膜內氧化的石墨烯質量分數增大，其復合膜導熱的系數呈現出先增后減的狀態。在氧化的石墨烯存在較少含量時，其被較低導熱的系數PVDF所分隔，則導熱的系數提高比較少。在氧化的石墨烯逐漸增大含量后，形成了導熱的通道，則復合材料導熱的系數就很快提高。在氧化的石墨烯質量分數在0.4%，其導熱的系數達到了最大值。

3 結語

綜上所述，文章通過實驗法對氧化石墨烯/聚偏氟乙烯的復合膜相關性能實施研究，分析了此復合膜的形貌特征、機械性能和導熱性能等，希望對相關研究工作的開展具有參考價值。