聚乙烯醇復(fù)合材料的制備及其性能研究.pdf

1、聚乙烯醇(PVA)是一種無毒、無腐蝕性且環(huán)境友好的親水性高分子材料,能在水中溶脹或溶解從而形成分散液或溶液。PVA的親水性源于其結(jié)構(gòu)中的羥基等親水性官能團(tuán),這些官能團(tuán)還可以進(jìn)行再反應(yīng),生成具有新官能團(tuán)的化合物;PVA不同的聚合度和醇解度可以通過反應(yīng)控制,因此,PVA具有性能和品種的多樣性,從而成為材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。由于PVA分子是嚴(yán)格的線型結(jié)構(gòu),并且含有大量的-OH和-H鍵,它們之間通過氫鍵發(fā)生交聯(lián)后能夠形成大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此,

2、PVA材料具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì);此外,PVA因有良好的成膜性、粘結(jié)性和生物親和性等優(yōu)點(diǎn),而在黏合劑、膜材料、凝膠材料、纖維材料和生物醫(yī)學(xué)材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
　　隨著材料科學(xué)的發(fā)展,單純的 PVA材料已不能滿足使用要求,這就要求對(duì)已有的 PVA進(jìn)行改性,從而滿足對(duì)材料的性能需求。近年來,利用無機(jī)材料、天然礦物和有機(jī)高分子等對(duì)PVA進(jìn)行復(fù)合改性成為了研究熱點(diǎn)。PVA復(fù)合材料不僅在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面有重要的意義,在生

3、產(chǎn)技術(shù)方面更是有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本論文利用 PVA作為基質(zhì),通過與氧化石墨烯、坡縷石黏土、鐵氰化鉀復(fù)合得到三種不同的材料,對(duì)前兩種材料進(jìn)行了FT-IR、SEM和XRD表征,同時(shí)測試了復(fù)合膜的熱性能、力學(xué)性能和耐水性能;第三種復(fù)合材料則作為全固態(tài)超級(jí)電容器電解質(zhì)進(jìn)行研究,對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了測試。主要內(nèi)容如下:
　　1.以 PVA為基質(zhì),采用改進(jìn)的 Hummers法制備了氧化石墨烯(GO),利用超聲分散法和流延成膜法制備了具有層狀結(jié)

4、構(gòu)的聚乙烯醇/氧化石墨烯(PVA/GO)納米復(fù)合膜。采用FTIR、SEM和XRD對(duì)納米復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,測試了復(fù)合膜的熱性能、力學(xué)性能和耐水性能。結(jié)果表明,GO片層可以均勻地分散在PVA基體中,GO的加入并沒有影響PVA的晶體結(jié)構(gòu),同時(shí)利用GO中含氧官能團(tuán)與PVA分子中羥基間強(qiáng)烈的相互作用,提高了復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性、耐水性和力學(xué)性能。
　　2.采用物理球磨法對(duì)坡縷石礦粉進(jìn)行棒晶聚集體解束,制備了一維納米坡縷石。同時(shí),以PVA作

5、為基質(zhì),利用超聲分散法和流延成膜法制備了聚乙烯醇/坡縷石(PVA/PGS)納米復(fù)合膜。采用FTIR、SEM和XRD對(duì)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,測試了復(fù)合膜的熱性能、力學(xué)性能和耐水性能。結(jié)果表明,納米坡縷石可以較均勻地分散在PVA基體中,并且沒有影響PVA的晶體結(jié)構(gòu),同時(shí)利用納米坡縷石中羥基等含氧官能團(tuán)與 PVA分子中羥基間強(qiáng)烈的相互作用,提高了復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性、耐水性和力學(xué)性能。
　　3.利用PVA、KOH和K3[Fe(CN)6]制

6、備出凝膠聚合物薄膜作為固態(tài)電解質(zhì),同時(shí)用活性炭作為電極材料組裝成為全固態(tài)超級(jí)電容器。在超級(jí)電容器中, PVA-KOH-K3[Fe(CN)6]凝膠聚合物材料作為電解質(zhì)的同時(shí)也起到隔膜的作用。它不僅具有柔韌性和高的離子電導(dǎo)率,而且使超級(jí)電容器具有大的電位窗口。超級(jí)電容器的電化學(xué)性能通過循環(huán)伏安法,恒電流充放電和電化學(xué)阻抗測試技術(shù)進(jìn)行表征。電化學(xué)測試顯示,加入K3[Fe(CN)6]能夠明顯提高電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性,超級(jí)電容器的比電容達(dá)到430.

7、95 F g-1;在相同電流密度下同PVA-KOH作為電解質(zhì)的超級(jí)電容器相比,其比電容增加了293.15 F g-1,能量密度和功率密度分別達(dá)到57.94 Wh kg-1和59.84 kW kg-1。此外,PVA-KOH-K3[Fe(CN)6]凝膠材料作為電解質(zhì),經(jīng)過1000次恒電流充/放電循環(huán)測試后,超級(jí)電容器的比電容仍然能夠達(dá)到380 F g-1。PVA-KOH-K3[Fe(CN)6]凝膠聚合物可以作為全固態(tài)超級(jí)電容器理想的電解質(zhì)材