石墨烯納米復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、聚合物/無機(jī)納米復(fù)合材料結(jié)合聚合物材料和無機(jī)材料各自的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)宏觀復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性能。因此設(shè)計(jì)和制備高性能、多功能的新型聚合物納米復(fù)合材料具有重大的學(xué)術(shù)及應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)方法制備多種石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料（如石墨烯/聚苯乙烯、石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯、石墨烯/聚異丙基丙烯酰胺等納米復(fù)合材料），通過物理相互作用將化學(xué)還原的石墨烯和聚丙烯酰胺復(fù)合，使其

2、具有pH響應(yīng)性，通過水熱法制備石墨烯/磁性四氧化三鐵納米復(fù)合材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)/形態(tài)和性能進(jìn)行了表征，所得主要研究結(jié)果如下:
　　(1)無機(jī)/有機(jī)納米復(fù)合材料兼具有機(jī)聚合物和無機(jī)材料各自的性能。通過ATRP方法對(duì)功能化石墨烯(FGS)進(jìn)行功能化修飾，成功將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯(PS)接枝到FGS上。通過熱失重(TGA)測試接枝聚合物的含量。通過透射電鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)觀察該納米復(fù)合材料的形貌。本研

3、究豐富了石墨烯的功能化方法，提供了調(diào)控石墨烯上接枝聚合物的方法。
　　(2)通過簡單的物理相互作用將化學(xué)還原的石墨烯和聚丙烯酰胺復(fù)合，其水溶液具有pH響應(yīng)性。聚丙烯酰胺穩(wěn)定的石墨烯是單層的，并且可以通過改變?nèi)芤簆H值來調(diào)控石墨烯在溶液中的分散和團(tuán)聚狀態(tài)。本研究為功能化修飾石墨烯制備穩(wěn)定的石墨烯分散液提供了新方法。所制備的具有環(huán)境響應(yīng)性的石墨烯/聚合物復(fù)合材料在納米電子器件、傳感器、藥物和基因運(yùn)輸系統(tǒng)具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
　　(

4、3)通過表面引發(fā)ATRP方法成功將聚異丙基丙烯酰胺接枝到石墨烯的表面，所得石墨烯/聚異丙基丙烯酰胺復(fù)合物在水中具有很好的分散性，并且具有溫度響應(yīng)性。制備過程首先通過重氮鹽反應(yīng)將對(duì)氨基苯酚修飾到石墨烯表面。然后，將溴代異丁酰溴通過酯化反應(yīng)共價(jià)接枝到石墨烯片上，得到異丁酰溴功能化的石墨烯(G-Br)。最后通過ATRP反應(yīng)將異丙基丙烯酰胺聚合接枝到石墨烯上。拉曼光譜、1HNMR和TEM結(jié)果證明聚合物成功接枝到石墨烯上。TGA結(jié)果顯示石墨烯上接

5、枝的聚異丙基丙烯酰胺量隨著反應(yīng)單體的增加而增大。TEM結(jié)果表明石墨烯上修飾的聚異丙基丙烯酰胺團(tuán)簇能夠很好地通過控制聚合來調(diào)控。所制備的石墨烯基復(fù)合物表面的聚異丙基丙烯酰胺對(duì)溫度有敏感性。這種溫敏性、水溶性的石墨烯/聚異丙基丙烯酰胺復(fù)合物可望在環(huán)境器件及控制藥物運(yùn)輸具有潛在的應(yīng)用。
　　(4)通過一步法水熱合成石墨烯/磁性納米粒子復(fù)合物。四氧化三鐵納米晶和納米簇的大小可以通過調(diào)整反應(yīng)時(shí)間和起始混合溶劑配比來調(diào)控。拉曼光譜證明氧化石墨

6、烯在四氧化三鐵晶粒生長過程中同時(shí)被還原成石墨烯。石墨烯表面生長的四氧化三鐵納米粒子、納米簇可以阻礙石墨烯的團(tuán)聚。該復(fù)合物中的磁性氧化鐵納米粒子具有很高的結(jié)晶性和磁飽和強(qiáng)度。同時(shí)，四氧化三鐵表面的丙烯酸鹽賦予復(fù)合材料水溶性，并能通過靜電相互作用吸附聚芴等電解質(zhì)。吸附聚芴的復(fù)合材料具有高磁性、很好的水溶性、強(qiáng)烈的熒光發(fā)射等性能，使該復(fù)合材料有望在諸如磁共振成像、生物分離、生物印記和光學(xué)器件修飾等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。
　　(5)采用水熱法

7、將V2O5粉末溶解于H2O2水溶液中，制備出大量超長V2O5納米線。然后把V2O5加入石墨烯水溶液中攪拌混合均勻，并抽濾得到柔性復(fù)合薄膜。本方法簡單易行，所得到的雜化薄膜材料包括2D石墨烯薄片和1D V2O5超長納米線。V2O5超長納米線構(gòu)成薄膜的骨架結(jié)構(gòu)，而石墨烯作為一種優(yōu)良的導(dǎo)電劑分散在五氧化二釩的骨架結(jié)構(gòu)中，同時(shí)也作為一種基底材料來支撐V2O5，從而實(shí)現(xiàn)了石墨烯和V2O5的相互支撐。該雜化薄膜作為正極材料測試其鋰電池充放電性能時(shí)，