众所周知,两种新型的纳米碳素材料:多壁碳纳米管(MWCNTs)和石墨烯(Graphene)因其奇特的结构和优异的性能,成为当前国内国外研究的热点。例如,由只有碳原子构成的单原子厚度的Graphene因其优越的热学、电学、力学、光学等性能,成为物理、化学、生物、材料、电子、能源和信息技术等领域的焦点之一。MWCNTs和Graphene广泛应用于聚氯乙烯(PVC)复合材料中,使得聚合物复合材料具有出色的力学、电学、热学及光学等性能。然而,Graphene和MWCNTs容易在聚合物中团聚以及与聚合物之间弱的界面相互作用等问题亟待解决。基体中的分散状态和填料-基体间的界面相互作用是决定PVC复合材料最终性能的两个关键因素。本文重点研究这两种纳米碳素材料在基体中的分散以及界面相互作用。为了解决以上问题,本论文以氧化石墨烯(GO)和酸处理的MWCNTs为起点,通过对MWCNTs和Graphene进行表面修饰以增加其极性,以便提高其在PVC基体中的分散以及界面相互作用。主要内容包括以下几个方面:(1)将石墨鳞片通过Hummers法制备出了GO,在水热条件下,再通过“一锅法”成功制备出了还原氧化石墨烯-氧化锌(rGO-ZnO)混合物。为了与此做对比,我们用简单物理共混法制备了同样配比的石墨烯纳米片/氧化锌混合物(GNPs/ZnO)。通过运用X射线衍射(XRD)、光致发光谱(PL)、原子力显微镜(AFM)、电化学测试、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)来测试分析rGO-ZnO与GNPs/ZnO的结构和性能。结果表明,rGO-ZnO混合物中,ZnO存在于rGO表面与层间,并且两者之间相互作用很强,也使得rGO有了一定的极性,能很好地分散在四氢呋喃(THF)中,从而与聚合物基体有很好的相容性。(2)通过溶液共混法制备了PVC/rGO-ZnO和PVC/GNPs/ZnO复合材料,为了研究它们的负载效应,各自制备了填料质量分数分别为5 wt%,10 wt%,15 wt%和20 wt%的复合材料。通过运用差示扫描量热法(DSC)、接触角测量、扫描电子显微镜(SEM)和万能力学拉伸试验来分析PVC/rGO-ZnO和PVC/GNPs/ZnO复合材料的结构和性能。结果表明,在15 wt%含量的rGO-Zn O混合物添加下,与纯PVC相比,拉伸强度和杨氏模量分别提升了35%和41%。机械性能的提升主要是由于填料-基体间强的相互作用,这是通过ZnO“桥”的作用来实现的,即ZnO与rGO间的p-π叠合效应和静电吸引力,以及与PVC链间的静电吸引/氢键作用。高的界面相互作用也有助于纳米颗粒在PVC基质均匀地分散,并且增加了玻璃化转变温度(Tg)。(3)以硝酸处理过的MWCNTs为起点,GO作为表面活性剂,在水热条件下,用“一锅法”制备出了多壁碳纳米管-还原氧化石墨烯-氧化锌3D混合物(MWCNTs-rGO-ZnO),为了与其作对比,也制备出了相同配比的多壁碳纳米管-还原氧化石墨烯混合物(MWCNTs-rGO)和还原氧化石墨烯-氧化锌混合物(rGO-ZnO)。通过运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)和透射电子显微镜(TEM)来测试分析它们的结构和性能。结果表明,MWCNTs-rGO-ZnO混合物中,由于ZnO的存在,三者相互作用很强,在有机溶剂中分散较好,极性得到了增强,从而与聚合物基体有较好的相容性。(4)通过溶液共混法制备了PVC/MWCNTs-rGO-ZnO,PVC/rGO-Zn O和PVC/MWCNTs-rGO复合材料,为了研究它们的负载效应,各自制备了填料质量分数分别为0.1 wt%,0.5 wt%,1 wt%,2 wt%,3 wt%和5 wt%的复合材料。通过运用热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、拉曼(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)和万能力学拉伸试验来测试分析它们的结构和性能。结果表明,MWCNTs-rGO-ZnO与PVC之间形成了强的界面相互作用,促使形成良好的分散,显著地提高复合材料的性能,如拉伸强度的最大增幅30%,杨氏模量最大增幅为60%,导电性能及热稳定性能在某些含量下也得到了显著提高。