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研究生:周聖廸
研究生(外文):Chou, Sheng-Dy
論文名稱:新穎Graphene/POM 高導熱性奈米複合材料之製備及物性研究
論文名稱(外文):Studies on Preparation and Physical Properties of Novel High Thermal Conductivity Graphene/POM Nanocomposites
指導教授:陳榮輝陳榮輝引用關係
指導教授(外文):Chen, Jung-Hui
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:化學系
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:108
中文關鍵詞:導熱係數奈米複合材料石墨烯聚甲醛
外文關鍵詞:thermal conductivitynanocompositegraphenePOM
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摘要
高速馬達軸承在高轉速下因摩擦生熱常使得潤滑油由變質或散逸導致零件摩擦毀損無法正常運作。為減少潤滑油變質的情形,增加零件的導熱速率為一重要課題。石墨烯(graphene)為目前導熱係數最高的材料,若與高強度且自潤滑性好的聚甲醛(POM)可以製成奈米複合材料應能有效提升軸承零件的導熱速率。
本研究以兩種不同的方法製備石墨烯,鎂粉燃燒法和還原氧化石墨法,並以其製備複合材料並比較不同配方比例對複合材料物性及導熱係數的影響。我們以FT-IR光譜檢測石墨烯的表面官能基與結構,其中還原氧化法石墨烯(rGO)有較多的含氧官能基殘留於表面。由XRD及Raman光譜我們發現本研究用的兩種方法所製備的石墨烯與市售多層石墨烯(15-20層)標準品相比層間距較大、層數較少。
兩種不同的石墨烯製備的複合材料,從FT-IR光譜中並未發現有官能基的改變,表示摻合過程並無化學反應的產生。在XRD及SEM的圖中可以觀察到複合材料的摻合相當均勻,在石墨烯添加為20%時會有較大的分子團出現。TGA的結果顯示複合材料的熱裂解溫度(Td)會因石墨烯的添加比例增加而減少。在DSC的圖譜中,我們發現摻合之後複合材料的玻璃軟化溫度(Tg)並未因而改變。在硬度方面,添加石墨烯後複合材料整體硬度會有所下降,但至少還有4H以上的硬度,在塑膠材料中仍屬相當優異。導熱係數會因石墨烯的添加比例而提升,其中以添加鎂粉燃燒法石墨烯20wt的樣品GMg20/POM最高。Graphene/POM複合材料的表面電阻高達1010Ω以上,可以做為抗靜電材料使用。
整體而言,本研究中所製備的4個成分不同的Graphene/POM複合材料中以GMg20/POM的物性及導熱係數最佳。

Abstract

Graphene is a material which has high thermal conductivity. In order to enhance the thermal conductivity, we used graphene to prepare nanocomposites with POM. The Graphene/POM nanocomposites were prepared by physical blending. In this study, we prepare graphene from two different methods, the magnesium powder combustion method and the reduce graphite oxide method. We discuss the physical properties, including thermal conductivity, of nanocomposites with different graphene and blending ratio.
The chemical bonding is identified by FT-IR spactra. The thermal resistance, transmittance, surface resistance, and hardness of these nanocomposites are measured by TGA, DSC, UV-Vis, surface resistant meter and hardness tester respectively. Expermimental results show that the transmittance valus of these nanocomposites are lower than 0.05% and the best Td value is 330.98℃, the values are decreasd when graphene ratio increases. The glass transition temperatures are not change after adding graphene. The surface resistance of Graphene/POM nanocomposites are greater than 1010Ω/cm2. The hardness of GMg/POM and rGO/POM are 5H and 4H respectively, the values are greater than PTEF(H). The morphology structures of Graphene/POM nanocomposites are estimated by SEM. The results show that the graphene particles are dispersed well in POM matrix. The thermal conductivity values of Graphene/POM nanocomposites are measured by guarded hot plate method. The best thermal conductivity value is 1.10 W/mk, it is better than that of pure POM (0.32 W/mk). The thermal conductivity values are increased when graphene ratio increases.
For the physical properties, including thermal conductivity GMg20/POM is the best among four different nanocomposites of Graphene/POM in this study.

摘要---------------------------------------------------------------Ⅰ
英文摘要-----------------------------------------------------------Ⅲ
謝誌---------------------------------------------------------------Ⅵ
目錄---------------------------------------------------------------Ⅴ
表目錄-------------------------------------------------------------Ⅶ
圖目錄-------------------------------------------------------------Ⅷ
第一章 緒論--------------------------------------------------------1
1-1 前言--------------------------------------------------------1
1-2 高速馬達----------------------------------------------------3
1-2-1 高速馬達的原裡與構造----------------------------------------3
1-2-2 高速馬達的重要性--------------------------------------------4
1-2-3 高速馬達的限制----------------------------------------------5
1-3 導熱材料----------------------------------------------------6
1-3-1 導熱材料的要求----------------------------------------------6
1-3-2 各種導熱材料的比較------------------------------------------6
1-3-3 導熱材料的重要性--------------------------------------------7
1-3-4 奈米導熱材料------------------------------------------------7
1-4 複合材料----------------------------------------------------8
1-4-1 複合材料的組成----------------------------------------------8
1-4-2 奈米複合材料------------------------------------------------8
1-4-3 奈米複合材料的特殊性質--------------------------------------9
1-4-4 奈米複合材料的分類-----------------------------------------10
1-5 石墨烯介紹-------------------------------------------------12
1-5-1 富勒烯-----------------------------------------------------12
1-5-2 奈米碳管---------------------------------------------------13
1-5-3 石墨烯-----------------------------------------------------13
1-5-4 石墨烯與奈米碳管的比較-------------------------------------14
1-6 石墨烯製備技術---------------------------------------------16
1-7 POM介紹---------------------------------------------------19
1-8 研究動機---------------------------------------------------21
1-9 研究策略---------------------------------------------------21
1-10 研究目的---------------------------------------------------22
第二章 實驗部分---------------------------------------------------23
2-1 實驗材料及藥品---------------------------------------------23
2-2 實驗儀器和裝製---------------------------------------------26
2-3 實驗步驟---------------------------------------------------32
2-3-1 材料的製備-------------------------------------------------32
2-3-1-1 石墨烯製備-------------------------------------------------32
2-3-1-2 複合材料的製備---------------------------------------------35
2-3-2 材料分析---------------------------------------------------37
2-3-2-1 化學分析---------------------------------------------------37
2-3-2-2 表面形態分析-----------------------------------------------39
2-3-3 材料性質的測試---------------------------------------------42
2-3-3-1 熱學性質測試-----------------------------------------------42
2-3-3-2 硬度測試---------------------------------------------------44
2-3-3-3 導熱性能測試-----------------------------------------------46
2-3-3-4 導電度測試-------------------------------------------------49
2-4 實驗流程---------------------------------------------------51
第三章 結果與討論-------------------------------------------------52
3-1 材料分析---------------------------------------------------52
3-1-1 石墨烯分析-------------------------------------------------52
3-1-1-1外觀觀察---------------------------------------------------52
3-1-1-2 化學性質---------------------------------------------------54
3-1-1-3 耐熱性-----------------------------------------------------56
3-1-1-4 層間距-----------------------------------------------------58
3-1-1-6 層數-------------------------------------------------------60
3-1-2 複合材料分析-----------------------------------------------63
3-1-2-1 化學分析---------------------------------------------------64
3-1-2-2 表面形態分析-----------------------------------------------67
3-2 複合材料性質測試-------------------------------------------72
3-2-1 熱學性質測試-----------------------------------------------72
3-2-3 硬度測試---------------------------------------------------79
3-2-4 導熱係數測試-----------------------------------------------80
3-2-5 表面電阻測試-----------------------------------------------84
3-2-6 透光度測試-------------------------------------------------86
3-2-7 綜合討論---------------------------------------------------88
第四章 結論-------------------------------------------------------92
參考文獻-----------------------------------------------------------94
附錄---------------------------------------------------------------96
附錄一、FT-IR圖----------------------------------------------------96
附錄二、TGA圖-----------------------------------------------------101
附錄三、DSC圖-----------------------------------------------------104
附錄四、UV-Vis圖--------------------------------------------------107

參考文獻
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