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硕士学位论文

论文题目氧化石墨烯-聚合物复合材料的制备
及性能研究
研究生姓名姜坤
指导教师姓名赵优良(教授)
专业名称应用化学
研究方向微纳米尺度杂化材料
论文提交日期 2013 年 5 月
氧化石墨烯-聚合物复合材料的制备及性能研究中文摘要

氧化石墨烯-聚合物复合材料的制备及性能研究
中文摘要
作为一种新型的二维纳米材料,石墨烯具有优异的电性能、热性能、机械性能等,
在材料领域具有重要的潜在应用。近年来,采用聚合物对石墨烯和氧化石墨烯进行表
面改性,已在全世界引起了学者们的广泛关注。本研究将可逆加成-断裂链转移
(RAFT)聚合和高效偶联反应或开环反应有机结合起来,采用简单易行的方法制备
了氧化石墨烯-聚合物复合材料。在此基础上,初步研究了复合材料的表面性能和力
学性能,同时探索了它们在诱导无机盐结晶等方面的潜在应用。主要研究结果如下:
1)将偶联反应和可逆加成-断裂链转移聚合结合起来,在氧化石墨烯(GO)表
面接枝了结构精致的均聚物和两嵌段共聚物。采用 R 和 Z 基团分别含有硅氧烷官能
团的两种 RAFT 试剂 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)偶联剂来制备目标
纳米复合物。同样的反应条件下,与 TBPT 相比,基于 MPTT 的接枝反应更倾向于得
到接枝聚合物的链段较短、分子量分布较窄和接枝密度较低的产物,这主要是由逐渐
增强的屏蔽效应和不同的接枝过程所致。接枝上的聚合物分子量可控,分子量分布指
数较窄(PDI = -),当接枝聚合物分子量为 3980-12500 g/mmol 时,摩尔接枝
率约为 -220 μmol/g。在包括正己烷和水在内的不同溶剂中,氧化石墨烯-聚合物
复合物具有改善的溶解性和分散性证实了这些复合物的两亲性。接枝改性为改变氧化
石墨烯的形态提供了可能。在超声作用下,GO-polymer 复合物能有效分散在不同的
溶剂中,同时呈现出纳米片、纳米粒子、纳米棒等不同的表面形貌。由于反应条件温
和、合成方法简单、可控性较好,这种一锅法接枝反应能广泛应用于表面含有羟基的
固相载体的修饰。
2)表面接枝 V 型共聚物刷 GO-polymer 复合物的合成及性能表征:通过 RAFT
聚合制备了 R 基团、Z 基团位置分别含有硅氧烷的两嵌段共聚物和链端含有二硫代碳
酸酯中间短链段具有功能性基团(例如环氧基团)的三嵌段共聚物。采用“grafting onto”
的方法通过羟基-硅氧烷偶联反应或羧基-环氧开环反应,在氧化石墨烯表面接枝了具
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中文摘要氧化石墨烯-聚合物复合材料的制备及性能研究
有反转序列结构的两嵌段共聚物和 V 型共聚物刷。通过一系列的测试表征,证实了
目标复合材料的成功制备。对接枝共聚物中聚丙烯酸叔丁酯(PtBA)链段进行水解
反应,得到了具有 pH 响应性聚合物链段聚丙烯酸(PAA)。以一定量的氧化石墨烯-
共聚物复合物掺杂到聚苯乙烯中制成薄膜,通过 DSC、TGA 等手段考察复合材料对
聚苯乙烯耐热稳定性的影响。结果表明,随着氧化石墨烯-共聚物的引入,聚苯乙烯
的玻璃化转变温度降低了 3-11 oC,PSt 的柔顺性增强,最大热失重温度增大了 10-15
oC。通过拉伸实验考察复合材料对聚苯乙烯力学性能的影响,说明复合材料的引入使
得聚苯乙烯的机械性能得以增强。初步研究了以合成的含 PAA 链段的氧化石墨烯-共
聚物复合材料为模板,在不同 pH 条件下诱导 CaCO3 和 Ca3(PO4)2 晶体结晶形貌的变
化。采用 SEM 观察结晶形貌,通过 EDX、XRD、IR 等表征手段研究晶体的晶型。
发现在不同 pH 条件下,CaCO3 和 Ca3(PO4)2 呈现不同的结晶形貌,如方解石、文霰
石、树枝状、花瓣状、棒状等不同形貌。因此,GO-polymer 复合物在聚合物耐热稳
定性、力学性能改善和无机盐诱导结晶等方面都具有一些潜在应用。
本研究成功在氧化石墨烯表面接枝了线型和 V 型聚合物刷,表征了各种复合材
料的结构、组分和性能,并初步探索了石墨烯-聚合物复合材料的潜在应用价值。本
研究的开展进一步丰富了石墨烯-聚合物复合材料的合成方法学,所发展的合成方法
具有普适性,对固相载体表面接枝聚合物的复合材料的合成和性能研究起到了重要的
推动作用。

关键词:氧化石墨烯;RAFT 聚合;偶联反应;开环反应;复合材料

作者:姜坤
指导老师:赵优良教授




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