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研究生:林昱丞
研究生(外文):Yu-Chen Lin
論文名稱:補強材重量分率及分散劑對石墨烯奈米複合材料機械性質之影響
論文名稱(外文):Effect of reinforcement weight fraction and dispersants on mechanical properties of Graphene nanocomposites
指導教授:劉顯光
指導教授(外文):Hsien-Kuang Liu
口試委員:廖為忠郭文雄劉顯光
口試委員(外文): Hsien-Kuang Liu
口試日期:2014-07-11
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:機械與電腦輔助工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:150
中文關鍵詞:氧化石墨烯還原石墨烯聚乙烯醇環氧樹脂分散劑
外文關鍵詞:Graphene OxideReduced Graphene OxidePVAEpoxyDispersants
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本論文以聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)和環氧樹脂(Epoxy)為基材,並在基材中添加氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)與還原氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide,RGO ),製備四種奈米複合材料-GO/PVA、RGO/PVA、GO/Epoxy、RGO/Epoxy。除了探討補強材重量分率對基材的補強效果之外,為進一步分散奈米補強材添加三種分散劑,分別為聚苯乙烯磺酸鈉(Poly(sodium-p-styrenesulfonate),PSS)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,PVP)/十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate,SDS)、聚羧酸鈉(Na Polycarboxylate,NP)。
針對這16種奈米複合材料進行拉伸試驗分析機械性質,並調整GO、RGO重量分率,相對於PVA與Epoxy分別為0.5wt%、1 wt%、1.5 wt%、2 wt%、3 wt%,評估重量分率之影響。另外為了剝離RGO增加分散性,本論文使用1500W超音波震盪1分鐘、5分鐘、10分鐘、15分鐘、20分鐘,以及300W超音波震盪1小時及3小時,7種震盪參數比較分散性。將以上震盪後補強材製成複合材料,並以拉伸試驗比較其機械性質。
拉伸試驗結果發現PVA與Epoxy添加奈米補強材GO及RGO時,皆可提升機械性質,在基材PVA中添加GO及RGO重量分率3wt%時,PVA拉伸強度為37.54MPa,GO(3wt%)/PVA拉伸強度為86.48MPa,RGO(3wt%)/PVA拉伸強度為80.91MPa,相對於PVA抗拉強度分別提升了1.3倍及1.1倍;在基材Epoxy中添加GO及RGO重量分率3wt%時,Epoxy拉伸強度為25.7MPa,GO(3wt%)/Epoxy拉伸強度為44.24MPa,RGO(3wt%)/Epoxy拉伸強度為52.81MPa,相對於Epoxy抗拉強度分別提升了0.7倍及1.1倍。分散劑種類經拉伸試驗後NP能夠使RGO有效的分散在PVA之中,RGO(3wt%)/PVA/NP抗拉強度為95.89MPa,和無添加分散劑之RGO(3wt%)/PVA相比,提升了18%;分散劑PSS則能夠使GO在Epoxy的分散性增加,GO(3wt%)/Epoxy/PSS拉伸強度為49.14MPa,和無添加分散劑之GO(3wt%)/Epoxy相比,提升了11%。超音波震盪1500W,20分鐘能夠使RGO明顯的剝離及分散在水溶液中,數據中未經超音波震盪之RGO(0.5wt%)/PVA和震盪20分鐘之RGO(0.5wt%)/PVA相比,拉伸強度分別為68.56MPa和86.51MPa,其拉伸強度提升了26%。
In this thesis, graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (RGO) are incorporated into polyvinyl alcohol (PVA) and epoxy matrices to fabricate four kinds of nanocomposites. Different weight fractions of GO and RGO are added into matrices to make the nanocomposites. Five kinds of weight fractions include 0.5wt%, 1 wt%, 1.5 wt%, 2 wt%, and 3 wt%. In addition to exploring effect of weight fraction of reinforcement, three kinds of dispersants are included in the nanocomposites to enhance the dispersion of reinforcement. The dispersants include poly sodium-p- styrenesulfonate (PSS), polyvinylpyrrolidone (PVP)/Sodium dodecyl sulfate (SDS), and Na Polycarboxylate (NP). Tensile tests for these 16 kinds of nanocomposites are conducted to evaluate their mechanical properties. In order to improve the dispersion of 2-D RGO, sonication of RGO by power of 1500W is conducted for 1, 5, 10, 15, and 20 minutes, while regular sonication by power of 300W is conducted for 1 hour and 3 hours. Sonication dispersed RGO are incorporated with matrix to fabricate composites and their mechanical properties are compared with regular RGO.
Tensile test results show that addition of GO and RGO in PVA can improve mechanical properties of PVA. For weight fraction of GO or RGO of 3wt%, GO/PVA or RGO/PVA can increase tensile strength of PVA by 130% or 110%. Tensile strengths of GO(3wt%)/PVA, RGO(3wt%)/PVA, and PVA are respectively 86.48MPa, 80.91MPa, and 37.54MPa. For weight fraction of GO or RGO of 3wt%, GO/epoxy or RGO/epoxy can increase tensile strength of epoxy by 70% or 110%. Tensile strengths of GO(3wt%)/epoxy, RGO(3wt%)/epoxy, and epoxy are respectively 44.24MPa, 52.81MPa, and 25.7MPa.
NP dispersant enables RGO to be effectively dispersed in the PVA, and NP(1wt%)/RGO(3wt%)/PVA has highest tensile strength of 95.89MPa. PSS dispersant enables GO to be effectively dispersed in the epoxy, and PSS(1wt%)/GO(3wt%)/epoxy has highest tensile strength of 49.14MPa. With sonication of RGO(0.5wt%)/PVA by 1500W for 20 minutes, their tensile strength is 86.51MPa, which is higher than 68.56MPa for that with regular RGO(0.5wt%)/PVA.
目錄
摘要 II
Abstract IV
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XVII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2文獻回顧 2
1.3研究動機 10
第二章 基礎理論 12
2.1 石墨烯特性介紹(Graphene) 12
2.2石墨烯製備的方法 12
2.2.1化學氣相沉積法 12
2.2.2 磊晶成長法 14
2.2.3機械剝離法 14
2.2.4 氧化石墨烯化學還原法 15
2.3聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)性能與特性 18
2.4 環氧樹脂(Epoxy)之特性 20
第三章 實驗方法 22
3.1實驗藥品 22
3.2 實驗設備 24
3.3氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)之製備 31
3.4 還原石墨烯( ,RGO)製備 35
3.5 石墨烯複合材料之製備 36
3.5.1 聚乙烯醇之製備 36
3.5.2 環氧樹脂之製備 36
3.5.3氧化石墨烯/聚乙烯醇複合材料之製備 37
3.5.4氧化石墨烯/環氧樹脂複合材料之製備 37
3.5.5 還原石墨烯/聚乙烯醇複合材料之製備 37
3.5.6 還原石墨烯/環氧樹脂複合材料之製備 38
3.6石墨烯奈米複合材料添加分散劑之製備方式 38
3.6.1石墨烯奈米複合材料GO(RGO)/PVA/PSS之製備 38
3.6.2石墨烯奈米複合材料GO(RGO)/PVA /PVP/SDS之製備 39
3.6.3石墨烯奈米複合材料GO(RGO)/PVA/NP之製備 39
3.6.4石墨烯奈米複合材料GO(RGO)/Epoxy/PSS之製備 40
3.6.5石墨烯奈米複合材料GO(RGO)/ Epoxy/PVP/SDS之製備 40
3.6.6石墨烯奈米複合材料GO(RGO)/ Epoxy/NP之製備 41
3.7 以高功率超音波1500W震盪RGO製備RGO/PVA/NP複合材料 41
第四章 結果與討論 43
4.1氧化石墨烯、還原石墨烯奈米複合材料之拉伸性能 43
4.1.1 GO重量分率對GO/PVA性能的影響 44
4.1.2 RGO重量分率對RGO/PVA性能的影響 46
4.1.3 GO重量分率對GO/Epoxy性能的影響 48
4.1.4 RGO重量分率對RGO/Epoxy性能的影響 49
4.1.5拉伸性能綜合比較 51
4.2分散劑種類對機械性質影響的結果 56
4.2.1分散劑種類影響GO分散性之拉伸試驗結果 56
4.2.2分散劑種類影響RGO分散性之拉伸試驗結果 65
4.3 超音波功率對還原石墨烯分散影響機械性質的結果 72
4.4 PVA、Epoxy複合材料之顯微觀察結果 76
4.4.1聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA )的顯微觀察結果 76
4.4.2 環氧樹脂(Epoxy)的FE-SEM觀察結果 78
4.4.3 GO/PVA複合材料之FE-SEM觀察結果 78
4.4.4 RGO/PVA複合材料之FE-SEM觀察結果 82
4.4.5 GO/Epoxy之FE-SEM觀察結果 86
4.4.6 RGO/Epoxy之FE-SEM觀察結果 87
4.4.7 複合材料添加分散劑之FE-SEM觀察結果 90
4.4.8 GO之FE-SEM觀察結果 104
4.4.9 RGO之FE-SEM觀察結果 109
4.4.10石墨烯奈米複材元素分析 ( Energy dispersive spectroscopy, EDS) 121
第五章 結論 125
文獻 128
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