摘 要

硬泡聚氨酯（PU）因其优异的隔热保温性能被广泛应用于建筑外墙保温材料中，其导热系数是已知所有有机保温材料中最低的，但其本身固有的不耐老化、阻燃性能差等缺陷，使得其进一步应用受到了限制。

本毕业论文采用改进Hummers法对可膨胀石墨进行氧化，再经超声处理制备得到氧化石墨烯（GO）,通过拉曼光谱仪（Raman），原子力显微镜（AFM），傅里叶红外光谱仪(FTIR)对其进行表征。分析结果表明：氧化石墨烯上含有较多羟基（-OH）、羧基(-COOH)、环氧基(-COC-)等官能团，氧化程度较高。

将改进Hummers法制备得到的氧化石墨烯，应用到硬泡聚氨酯材料中，即通过原位聚合法分散氧化石墨烯，利用一步法（双组份法）制备硬泡聚氨酯。利用氧化石墨烯的超高比表面积、高强度和红外热反射效应等，探索其对硬泡聚氨酯材料的机械性能、绝热性能和阻燃性能的影响。通过傅里叶红外光谱仪(FTIR)、氧指数测定、孔结构分析、拉拔强度测定表征不同掺量的氧化石墨烯对硬泡聚氨酯性能的影响规律。红外分析表明，GO在聚氨酯中达到了良好的分散，与异氰酸酯发生了化学反应，而不是简单的嵌插；孔结构分析表明GO的引入显著改变了硬泡聚氨酯的孔结构，在GO掺量为0.1wt%~0.5wt%范围内，随GO掺量的增加，硬泡聚氨酯孔结构趋于减小，这对硬泡聚氨酯导热性能和机械强度有较大影响；氧指数的测定表明一定掺量的GO可以提高硬泡聚氨酯的氧指数，但效果不明显，需要与其他阻燃剂复配协效提高硬泡聚氨酯的阻燃性能；拉拔强度的测试表明GO的掺入可以较好的提高硬泡聚氨酯的强度，其中以0.3%为最优。

关键词：氧化石墨烯；改进Hummers法；硬泡聚氨酯；复合改性

Abstract

Polyurethane foam (PU) because of their excellent thermal insulation properties are widely used in building wall insulation materials, thermal conductivity is known to all organic insulation materials in the lowest, but its inherent impatience aging, flame retardant defects and poor performance, so that its further application has been limited.

This thesis improved Hummers method expandable graphite oxide, and then obtain graphene oxide (GO) by sonication process, by Raman spectroscopy (Raman), atomic force microscopy (AFM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) to its characterization. The results showed that: contains more hydroxy (-OH), carboxyl (-COOH), epoxy group (-COC-) functional groups, the higher the degree of oxidation of graphene oxide.

Hummers will improve graphene oxide prepared was applied to the polyurethane foam material, through in situ polymerization dispersed graphene oxide, one-step (two-component method) for preparing the polyurethane foam. The use of graphene oxide ultra-high surface area, high strength and thermal infrared reflection effect, etc., to explore its effect on the mechanical properties, thermal insulation properties and flame retardance of polyurethane foam material. By Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), oxygen index, pore structure analysis, drawing strength was measured to characterize different dosage graphene oxide on the influence of the polyurethane foam properties. Infrared analysis showed, GO reach polyurethane in a good dispersion with an isocyanate of the chemical reaction, rather than simply inserted into; pore structure analysis shows that the introduction of GO significant changes in the pore structure of the polyurethane foam in GO content is within 0.1wt% ~ 0.5wt% range, with the increase GO content, the pore structure of the polyurethane foam tends to decrease, which have a greater impact on the polyurethane foam thermal conductivity and mechanical strength; measuring the oxygen index suggests that certain content the GO can improve the oxygen index of polyurethane foam, but the effect is not obvious, the need to improve the flame retardancy of polyurethane foam and other flame retardant compound synergist; pull strength tests show GO incorporation can better improve strength polyurethane foam, of which 0.3% is optimal.

Keywords: graphene oxide; improved Hummers method; polyurethane foam; composite modification

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1选题背景及研究的目的意义 1

1.2石墨烯研究现状 1

1.2.1石墨烯概述 1

1.2.2石墨烯的结构特点及其性质 1

1.2.3石墨烯的制备 2

1.3氧化石墨烯研究现状 3

1.3.1氧化石墨烯概况 3

1.3.2氧化石墨烯的结构及性质 3

1.3.3氧化石墨烯的制备 4

1.4硬泡聚氨酯研究现状 4

1.4.1聚氨酯概述 4

1.4.2硬泡聚氨酯的结构及性质 5

1.4.3硬泡聚氨酯的制备 5

1.5氧化石墨烯纳米复合材料的制备及应用 6

1.5.1溶液共混法 6

1.5.2原位聚合法 6

1.5.3熔融共混法 6

1.5.4聚合物/氧化石墨烯纳米复合材料的国内外研究进展 7

1.6研究内容 7

第2章 氧化石墨烯的制备与表征 8

2.1引言 8

2.2氧化石墨烯的制备 8

2.2.1实验原料 8

2.2.2实验仪器 8

2.2.3实验过程 9

2.3氧化石墨烯的表征 11

2.3.1原子力显微（AFM）分析 11

2.3.2拉曼光谱（Raman）测试 11

2.3.3傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测试 11

2.4结果与讨论 12

2.4.1原子力显微（AFM）分析 12

2.4.2拉曼光谱（Raman）分析 13

2.4.3红外光谱（FTIR）分析 14

2.5本章小结 14

第3章 硬泡聚氨酯/氧化石墨烯纳米复合材料的制备与表征 16

3.1引言 16

3.2硬泡聚氨酯/氧化石墨烯纳米复合材料的制备 16

3.2.1实验原料 16

3.2.2实验仪器 16

3.2.3实验过程 16

3.3硬泡聚氨酯/氧化石墨烯纳米复合材料的表征 18

3.3.1傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测试 18

3.3.2孔结构测定 18

3.3.3氧指数测试 18

3.3.4机械强度测定 19

3.4结果与讨论 20

3.4.1红外光谱分析 20

3.4.2孔结构显微分析 20

3.4.3氧指数分析 22

3.4.4力学性能分析 23

3.5本章小结 23

第4章 结论与展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1选题背景及研究的目的意义

目前,我国建筑能耗已占到社会总能耗的1/3，且仍以每年1%的速率在增加，因此建筑节能是我国节能工作的重要内容之一。我国的建筑总面积约为400亿平方米，且每年仍以20亿平方米增长，高能耗建筑物占到了95%以上，是造成我国建筑能耗高的主要原因之一^[1]。通过管道、墙体、房顶等传热散失是建筑物耗能的主要途径，而应用优异的外墙保温隔热材料能明显减少采暖制冷所导致的能量损耗，是减少建筑能耗的关键之一。

硬泡聚氨酯（PU）因其优异的隔热保温性能被广泛应用于建筑保温领域，其导热系数是所有有机保温材料中最低的，但其本身固有的易燃性等性能缺陷，导致聚氨酯材料的进一步应用受到了限制。近年来，我国发生了多起重大火灾事故，从2008年深圳龙岗区歌舞厅特大火灾事故，再到上海的“11·15”特大火灾，采用未阻燃的聚氨酯保温材料是这些火灾事故的真正原因。