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研究生:林世泓
論文名稱:石墨烯與左旋聚乳酸原位聚合性質及應用研究
論文名稱(外文):In-situ polymerization of Poly(L-lactide) with Graphene and research of its properties and applications
指導教授:李育德李育德引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
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:130
中文關鍵詞:石墨烯聚乳酸原位聚合
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在石油漸漸耗竭及民眾對環境日益重視的今天,利用非石化來源且環境友善之生物可分解高分子來取代目前市面上之泛用塑膠成為一項趨勢。本研究石墨烯作為起始物,利用其官能基對L-lactide行原位聚合反應,將石墨烯均勻分散至聚左旋乳酸中,並提高兩者間之介面親和力,藉此提昇聚左旋乳酸之熱穩定性以及電氣性質。
我們以X光散射儀確認成功製備出石墨烯。之後將石墨烯以不同比例加入L-lactide中均勻混和,並以有機錫作為催化劑進行聚合。將產物以紅外線光譜、核磁共振儀與極限黏度測試來鑑定其結構,並以熱重損失儀測量其熱穩定度。由於結晶行為對於高分子進行加工處理時有很大的影響,我們利用微差掃描熱卡計以及偏光顯微鏡觀察不同石墨烯含量之結晶行為。此外由於石墨烯獨特的高導電性,我們利用高阻抗電阻計來測定此複合材料之導電度。
從紅外線光譜以及核磁共振儀中可以看出我們成功聚合了聚左旋乳酸,分子量約在4000~6000之間,極限黏度測試皆在0.14~0.16之間,此結果使結晶相關性質分析更具實驗意義。熱重損失測試可看到於2.00 wt%熱裂解溫度約提高了30度。微差掃描熱卡計與偏光顯微鏡的觀察可看出石墨烯作為一良好的成核劑,晶核數明顯增加,但
III
同時也抑制了結晶的成長速率,到1.00 wt%時到達了極值。當含量繼續增加時,由於此時石墨烯於塊材中產生結構,使得聚左旋乳酸很快便能依附在其上進行結晶,此時石墨烯對結晶的抑制便不如含量低時明顯。電氣性質的研究中可看到含量到達1.00 wt%時產生預滲的現象,而2.00 wt%時之電導度和1.00 wt%時差了10個數量級,達到了導體的程度。
之後將其作為高分子量聚乳酸薄膜之填充材,從電子穿透式顯微鏡的影像我們可以看到其可很好地分散在聚乳酸中,且不會聚集成一球,顯示兩者間的親和力極佳。也因為此緣故,複合薄膜在氣體阻絕性上最高能使氧氣的透過率降低56%,在導電性上可使導電度上升四個冪次,而導熱性也提昇了61%。
從以上結果可知我們成功的聚合出新式的聚左旋乳酸-石墨烯複合材料,不僅提昇了聚左旋乳酸之熱穩定度,增加其作為泛用塑膠替代物之應用,更使其成為具導電性之高分子複合材料,可應用在消費性電子產品、生醫材料及食品包裝等相關產業。
摘要 I
ABSTRACT IV
圖目錄 XI
表目錄 XIX
第一章 緒論 1
第二章 文獻回顧 4
2.1 生物可分解高分子 4
2.2 合成型生物可分解高分子 5
2.2.1脂肪族聚酯 5
2.2.2芳香族聚酯 7
2.3 生質高分子 7
2.4 聚乳酸 8
2.4.1聚乳酸之合成 11
2.4.2 結晶結構 11
2.4.3 聚乳酸之生物可分解性 15
2.4.4 聚乳酸之研究與應用 16
2.5 高分子複合材料 17
2.5.1層間插入法 18
2.5.2原位法 18
2.5.3分子複合材料形成法 19
2.5.4超微粒子直接分散法 19
2.5.5其他製造法 19
2.6 石墨烯 19
2.6.1 石墨烯製備 20
2.6.1.1 化學還原石墨烯 21
2.6.2 石墨烯性質 23
2.6.3 石墨烯-高分子複合材料 24
2.6.3.1混摻複合材料 25
2.6.3.1.1 溶劑混和 25
2.6.3.1.2 熔融混和 25
2.6.3.1.3原位聚合反應 26
2.6.3.2 機械性質 27
2.6.3.3 電氣性質 28
2.6.3.4 相關應用 29
第三章 研究動機及目的 30
3.1研究動機 30
3.2 研究目的 31
第四章 實驗程序與方法 32
4.1 試藥與溶劑 32
4.2 實驗儀器與設備 32
4.3 實驗流程與方法 34
4.3.1 實驗流程圖 34
4.3.2 石墨烯與L-lactide開環聚合反應式 35
4.3.3 實驗步驟 36
4.3.3.1 熱還原氧化石墨烯製備 36
4.3.3.2 L-lactide/石墨烯原位聚合反應 38
4.3.3.3 GLLA/PLA 複合薄膜製備 39
4.4 測試與分析方法 40
第五章 結果與討論 46
5.1 GLLA之結構鑑定與性質分析 46
5.1.1 結構鑑定 46
5.1.1.1 IR紅外線光譜 46
5.1.1.2 核磁共振儀 H-NMR 47
5.1.1.3高解析電子能譜儀分析 53
5.1.1.4極限黏度測試 59
5.1.2 熱性質 62
5.1.2.1 TGA 62
5.1.3 斷裂面形態 63
5.1.3.1 場發射式電子顯微鏡觀測 63
5.1.4 結晶性質 66
5.1.4.1非結晶狀態 66
5.1.4.2 恒溫結晶狀態 67
5.1.4.2.1長期恒溫結晶 67
5.1.4.2.2 短期恒溫結晶 74
5.1.4.2.3 偏光顯微鏡觀察 78
5.1.5 電氣性質 102
5.2 PLA/GLLA複合薄膜 104
5.2.1 PLA基本性質測定 105
5.2.2 PLA/GLLA薄膜形態 106
5.2.3 PLA/GLLA薄膜熱性質 109
5.2.3.1 DSC 109
5.2.3.2 TGA 111
5.2.3.3 熱傳導性質 113
5.2.4 PLA/GLLA薄膜機械性質 115
5.2.5 PLA/GLLA薄膜之氣體透過率 118
5.2.6 PLA/GLLA薄膜導電性 120
第六章 結論 122
第七章 參考文獻 127

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