氧化石墨烯的修飾和還原及其導電的納米復合材料.pdf

1、石墨烯(graphene)具有優(yōu)異的導電性能，石墨烯作為導電納米復合材料的填料在近些年來成為復合材料的研究熱點。然而，石墨烯規(guī)模化制備困難和在極性聚合物基體中容易團聚的問題成為制備性能優(yōu)異的復合材料所面臨的主要挑戰(zhàn)。在強酸強氧化劑的條件下通過化學氧化法制備的氧化石墨烯(graphene oxide，GO)通?？梢砸暈槭┑那败|體，在經(jīng)過化學還原或者熱還原的方法消去除氧化石墨烯表面接枝的含氧官能團成為批量化生產(chǎn)石墨烯的有效方法。而在將氧

2、化石墨烯還原為石墨烯的同時進行表面功能化修飾能促進其在聚合物基體中分散，由于氧化石墨烯表面存在著大量的羥基、羧基和環(huán)氧基等含氧官能團，這為氧化石墨烯的表面功能化修飾提供了反應點。
　　 本論文中，我們介紹了一種不添加傳統(tǒng)的化學還原劑，只加入十八烷基胺(octadecylamine，ODA)就能對氧化石墨烯進行功能化及還原的簡單有效的方法。我們利用氧化石墨烯上面的含氧官能團與十八烷基胺之間的親核取代反應，將長碳鏈的烷基胺以共價鍵的

3、方式接枝在氧化石墨烯片上，并將其作為聚苯乙烯(PS)的填料，制得了導電納米復合材料。研究發(fā)現(xiàn):經(jīng)過十八烷基胺修飾的氧化石墨烯，材料表面由親水性轉變?yōu)橛H油性，有利于其在非極性聚合物中的分散;在采用回流的方法制備化學修飾的氧化石墨烯時，十八烷基胺不僅在氧化石墨烯片層間實現(xiàn)了有效的插層，多種表征手段表明氧化石墨得到了有效的還原;同時被十八烷基胺修飾且還原過的石墨烯的電導率提高了3個數(shù)量級;為了研究復合材料制備過程中溫度對電導率的影響，本實驗對

4、氧化石墨烯和修飾產(chǎn)物(氧化石墨烯-十八烷基胺(GO-ODA))分別在聚合物加工溫度下進行熱處理，測試結果證實它們的電導率得到了進一步的提高;在制備的PS/GO-ODA復合材料中，填料GO-ODA與PS基體表現(xiàn)出良好的相容性，在聚合物中得到有效的剝離，從而形成良好的導電網(wǎng)絡;相對于PS/GO復合材料，PS/GO-ODA復合材料的導電率明顯提高（滲流閾值為0.45vol.％），特別是在填料GO-ODA的體積分數(shù)為0.92vol.％時復合材料

5、的電導率高達0.4638S/m。
　　 其次，我們對十八烷基胺及酸堿性對氧化石墨烯的還原及修飾進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，在沒有十八烷基胺參與反應的條件下，氧化石墨烯在90℃的堿性條件下回流約3小時會被還原，而不調節(jié)pH值時，氧化石墨烯在90℃下回流20小時，氧化石墨烯仍不會被還原;在不調節(jié)pH值的前提下，十八烷基胺與氧化石墨烯在25℃混合攪拌20小時，GO只會被插層而并無明顯的還原，在90℃回流20小時，GO既被插層又被還原，在90

6、℃下，調節(jié)pH值至強堿性能加快十八胺對氧化石墨烯的還原速度，而將pH值調節(jié)至強酸性時，十八胺對氧化石墨烯沒有還原效果。上述研究結果說明溫度和堿性環(huán)境是影響還原氧化石墨烯的關鍵因素，也就是說在還原過程中，十八烷基胺為氧化石墨烯的還原提供了堿性環(huán)境，氧化石墨烯在堿性環(huán)境中高溫回流才得到了還原，除此之外，十八烷基胺在此過程中還擔當了插層劑的作用，顯著增大了原有氧化石墨的層間距。
　　 此外，我們研究了不同長碳鏈的烷基胺對氧化石墨烯的作

7、用。結果發(fā)現(xiàn):不同長碳鏈的烷基胺均能對氧化石墨烯起到插層及還原的作用;短碳鏈的烷基胺更容易進入到氧化石墨烯的層間，與其上面的基團反應，接枝率較高，而長碳鏈的烷基胺因其具有較長的碳鏈，插層效果顯著，就是說隨著碳鏈的增長，插層效果越明顯，層間距越大;碳鏈越短，接枝上的分子鏈越多。
　　 本課題的創(chuàng)新點在于尋找到了一種既能對氧化石墨烯進行插層，改變其極性，又能對其進行還原的表面修飾劑，得到的填料能夠在聚苯乙烯基體中形成良好的導電通路，