氧化石墨烯-聚合物復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、作為一種新型的二維納米材料，石墨烯具有優(yōu)異的電性能、熱性能、機(jī)械性能等，在材料領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用。近年來(lái)，采用聚合物對(duì)石墨烯和氧化石墨烯進(jìn)行表面改性，已在全世界引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。本研究將可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合和高效偶聯(lián)反應(yīng)或開環(huán)反應(yīng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，采用簡(jiǎn)單易行的方法制備了氧化石墨烯-聚合物復(fù)合材料。在此基礎(chǔ)上，初步研究了復(fù)合材料的表面性能和力學(xué)性能，同時(shí)探索了它們?cè)谡T導(dǎo)無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶等方面的潛在應(yīng)用。主要研究結(jié)果如下：

2、
　　1）將偶聯(lián)反應(yīng)和可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合結(jié)合起來(lái)，在氧化石墨烯（GO）表面接枝了結(jié)構(gòu)精致的均聚物和兩嵌段共聚物。采用R和Z基團(tuán)分別含有硅氧烷官能團(tuán)的兩種 RAFT試劑 S-(4-三甲氧基硅基)苯甲基 S′-丙基三硫代碳酸酯（TBPT）、S-甲氧羰基苯甲基S′-3-(三甲氧基硅基)丙基三硫代碳酸酯（MPTT）偶聯(lián)劑來(lái)制備目標(biāo)納米復(fù)合物。同樣的反應(yīng)條件下，與TBPT相比，基于MPTT的接枝反應(yīng)更傾向于得到接枝聚合物的鏈段較短、分

3、子量分布較窄和接枝密度較低的產(chǎn)物，這主要是由逐漸增強(qiáng)的屏蔽效應(yīng)和不同的接枝過程所致。接枝上的聚合物分子量可控，分子量分布指數(shù)較窄（PDI=1.11-1.38），當(dāng)接枝聚合物分子量為3980-12500 g/mmo l時(shí)，摩爾接枝率約為73.6-220μmol/g。在包括正己烷和水在內(nèi)的不同溶劑中，氧化石墨烯-聚合物復(fù)合物具有改善的溶解性和分散性證實(shí)了這些復(fù)合物的兩親性。接枝改性為改變氧化石墨烯的形態(tài)提供了可能。在超聲作用下，GO-pol

4、ymer復(fù)合物能有效分散在不同的溶劑中，同時(shí)呈現(xiàn)出納米片、納米粒子、納米棒等不同的表面形貌。由于反應(yīng)條件溫和、合成方法簡(jiǎn)單、可控性較好，這種一鍋法接枝反應(yīng)能廣泛應(yīng)用于表面含有羥基的固相載體的修飾。
　　2）表面接枝V型共聚物刷GO-polymer復(fù)合物的合成及性能表征：通過RAFT聚合制備了R基團(tuán)、Z基團(tuán)位置分別含有硅氧烷的兩嵌段共聚物和鏈端含有二硫代碳酸酯中間短鏈段具有功能性基團(tuán)（例如環(huán)氧基團(tuán)）的三嵌段共聚物。采用“grafti

5、ng onto”的方法通過羥基-硅氧烷偶聯(lián)反應(yīng)或羧基-環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)，在氧化石墨烯表面接枝了具有反轉(zhuǎn)序列結(jié)構(gòu)的兩嵌段共聚物和 V型共聚物刷。通過一系列的測(cè)試表征，證實(shí)了目標(biāo)復(fù)合材料的成功制備。對(duì)接枝共聚物中聚丙烯酸叔丁酯（PtBA）鏈段進(jìn)行水解反應(yīng)，得到了具有pH響應(yīng)性聚合物鏈段聚丙烯酸（PAA）。以一定量的氧化石墨烯-共聚物復(fù)合物摻雜到聚苯乙烯中制成薄膜，通過DSC、TGA等手段考察復(fù)合材料對(duì)聚苯乙烯耐熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，隨著氧化

6、石墨烯-共聚物的引入，聚苯乙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低了3-11 oC，PSt的柔順性增強(qiáng)，最大熱失重溫度增大了10-15 oC。通過拉伸實(shí)驗(yàn)考察復(fù)合材料對(duì)聚苯乙烯力學(xué)性能的影響，說明復(fù)合材料的引入使得聚苯乙烯的機(jī)械性能得以增強(qiáng)。初步研究了以合成的含PAA鏈段的氧化石墨烯-共聚物復(fù)合材料為模板，在不同pH條件下誘導(dǎo)CaCO3和Ca3(PO4)2晶體結(jié)晶形貌的變化。采用SEM觀察結(jié)晶形貌，通過EDX、XRD、IR等表征手段研究晶體的晶型。發(fā)現(xiàn)

7、在不同 pH條件下，CaCO3和 Ca3(PO4)2呈現(xiàn)不同的結(jié)晶形貌，如方解石、文霰石、樹枝狀、花瓣?duì)?、棒狀等不同形貌。因此，GO-polymer復(fù)合物在聚合物耐熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能改善和無(wú)機(jī)鹽誘導(dǎo)結(jié)晶等方面都具有一些潛在應(yīng)用。
　　本研究成功在氧化石墨烯表面接枝了線型和 V型聚合物刷，表征了各種復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、組分和性能，并初步探索了石墨烯-聚合物復(fù)合材料的潛在應(yīng)用價(jià)值。本研究的開展進(jìn)一步豐富了石墨烯-聚合物復(fù)合材料的合成方法學(xué)