石墨烯纳米复合材料的制备、结构及性能研究

【摘要】聚合物/无机纳米复合材料结合聚合物材料和无机材料各自的优点,表现出不同于传统宏观复合材料的力学、热学、光学、电学、磁学等性能。因此设计和制备高性能、多功能的新型聚合物纳米复合材料具有重大的学术及应用价值。本论文通过原子转移自由基聚合(ATRP)方法制备多种石墨烯/聚合物纳米复合材料(如石墨烯/聚苯乙烯、石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯、石墨烯/聚异丙基丙烯酰胺等纳米复合材料),通过物理相互作用将化学还原的石墨烯和聚丙烯酰胺复合,使其具有pH响应性,通过水热法制备石墨烯/磁性四氧化三铁纳米复合材料,并对其结构/形态和性能进行了表征,所得主要研究结果如下：(1)无机/有机纳米复合材料兼具有机聚合物和无机材料各自的性能。通过ATRP方法对功能化石墨烯(FGS)进行功能化修饰,成功将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯(PS)接枝到FGS上。通过热失重(TGA)测试接枝聚合物的含量。通过透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)观察该纳米复合材料的形貌。本研究丰富了石墨烯的功能化方法,提供了调控石墨烯上接枝聚合物的方法。(2)通过简单的物理相互作用将化学还原的石墨烯和聚丙烯酰胺复合,其水溶液具有pH响应性。聚丙烯酰胺稳定的石墨烯是单层的,并且可以通过改变溶液pH值来调控石墨烯在溶液中的分散和团聚状态。本研究为功能化修饰石墨烯制备稳定的石墨烯分散液提供了新方法。所制备的具有环境响应性的石墨烯/聚合物复合材料在纳米电子器件、传感器、药物和基因运输系统具有潜在应用价值。(3)通过表面引发ATRP方法成功将聚异丙基丙烯酰胺接枝到石墨烯的表面,所得石墨烯/聚异丙基丙烯酰胺复合物在水中具有很好的分散性,并且具有温度响应性。制备过程首先通过重氮盐反应将对氨基苯酚修饰到石墨烯表面。然后,将溴代异丁酰溴通过酯化反应共价接枝到石墨烯片上,得到异丁酰溴功能化的石墨烯(G-Br)。最后通过ATRP反应将异丙基丙烯酰胺聚合接枝到石墨烯上。拉曼光谱、1HNMR和TEM结果证明聚合物成功接枝到石墨烯上。TGA结果显示石墨烯上接枝的聚异丙基丙烯酰胺量随着反应单体的增加而增大。TEM结果表明石墨烯上修饰的聚异丙基丙烯酰胺团簇能够很好地通过控制聚合来调控。所制备的石墨烯基复合物表面的聚异丙基丙烯酰胺对温度有敏感性。这种温敏性、水溶性的石墨烯/聚异丙基丙烯酰胺复合物可望在环境器件及控制药物运输具有潜在的应用。(4)通过一步法水热合成石墨烯/磁性纳米粒子复合物。四氧化三铁纳米晶和纳米簇的大小可以通过调整反应时间和起始混合溶剂配比来调控。拉曼光谱证明氧化石墨烯在四氧化三铁晶粒生长过程中同时被还原成石墨烯。石墨烯表面生长的四氧化三铁纳米粒子、纳米簇可以阻碍石墨烯的团聚。该复合物中的磁性氧化铁纳米粒子具有很高的结晶性和磁饱和强度。同时,四氧化三铁表面的丙烯酸盐赋予复合材料水溶性,并能通过静电相互作用吸附聚芴等电解质。吸附聚芴的复合材料具有高磁性、很好的水溶性、强烈的荧光发射等性能,使该复合材料有望在诸如磁共振成像、生物分离、生物印记和光学器件修饰等领域有潜在的应用。(5)采用水热法将V205粉末溶解于H202水溶液中,制备出大量超长V205纳米线。然后把v205加入石墨烯水溶液中搅拌混合均匀,并抽滤得到柔性复合薄膜。本方法简单易行,所得到的杂化薄膜材料包括2D石墨烯薄片和IDV2O5超长纳米线。V205超长纳米线构成薄膜的骨架结构,而石墨烯作为一种优良的导电剂分散在五氧化二钒的骨架结构中,同时也作为一种基底材料来支撑V205,从而实现了石墨烯和V205的相互支撑。该杂化薄膜作为正极材料测试其锂电池充放电性能时,显示出良好的充放电容量和优异的倍率性能。该实验过程中所用试剂均为环境友好型绿色试剂。同时,所制备的薄膜电极是柔性可折叠的,并且没有使用粘结剂,这也间接增加了活性物质的含量,从而使该类复合材料获得更充分的应用。
【作者】任璐璐；
【导师】刘天西；
【作者基本信息】复旦大学，高分子化学与物理，2012，博士
【关键词】石墨烯；原子转移自由基聚合；功能化修饰；pH和温度响应性；磁性复合材料；锂离子电池；

【参考文献】
[1]刘忠政.重型混合动力汽车动力性与经济性的仿真分析[D].河南科技大学,车辆工程（专业学位）,2014,硕士.
[2]王智勇.基于CORBA/SNMP企业信息化软件研究与实现[D].广西师范大学,电路与系统,2003,硕士.
[3]顾丽亚.大鼠骨髓间充质干细胞exosome对自身心肌分化及抗凋亡实验研究[D].苏州大学,心血管病学（专业学位）,2013,硕士.
[4]熊益多.蓄电池型长脉冲磁场装置控制系统设计[D].华中科技大学,电力系统及其自动化,2012,硕士.
[5]王忠.深部调驱效果评价方法研究[D].东北石油大学,油气田开发工程,2013,硕士.
[6]周小龙.AVS及H.264双模熵解码器的硬件设计[D].山东大学,集成电路设计,2013,硕士.
[7]任光远.内埋弹舱舱门开启和武器分离过程数值模拟研究[D].北京交通大学,2015.
[8]李腾.T型刚构桥承载力分析及加固技术[D].长安大学,建筑与土木工程（专业学位）,2013,硕士.
[9]黄源.T市供水管网浊度特性的研究及其风险评估的应用[D].哈尔滨工业大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[10]李霞,张田文,饶绍奇,李丽.特征基因挖掘的决策森林方法[J].哈尔滨工业大学学报,2004,04:480-483.
[11]郑立平.论中学英语词汇教学[D].湖南师范大学,学科教学,2004,硕士.
[12]孙伟.中厚板轧机厚度控制系统研究[D].燕山大学,控制工程,2012,硕士.
[13]李松虎.黄河下游城市（济南）饮用水管网生物稳定性及影响因素研究[D].青岛理工大学,环境科学,2012,硕士.
[14]邹兆伟.纳米载银磷酸锆抗菌聚氨酯抗菌性能及生物相容性研究[D].南方医科大学,外科学,2012,硕士.
[15]傅聪聪.瑞贝卡的品牌视觉形象设计研究[D].郑州大学,美术学,2013,硕士.
[16]郑精武,郑飚,乔梁,姜力强,俞斌,张诚.羟基亚乙基二膦酸碱性镀液中铜阳极的特性[J].腐蚀科学与防护技术,2012,05:406-410.
[17]覃子建.乌江渡电站水库地震灾害[J].地震学刊.1994(03)
[18]葛云芳.运动编辑及其在虚拟环境中的应用[D].浙江大学,计算机应用,2004,硕士.
[19]李斌.奶牛干奶期应用阴离子盐对瘤胃发酵、离子平衡和泌乳性能的影响[D].中国农业大学,动物营养与饲料科学,2004,硕士.
[20]贺友平.我国体育类核心期刊篮球学术论文的文献计量学分析[D].西安体育学院,体育教育训练学,2013,硕士.
[21]朱芊.南戏《张协状元》研究[D].青岛大学,中国古代文学,2013,硕士.
[22]严启梅.杏鲍菇真空微波联合气流膨化干燥研究[D].南京师范大学,食品科学,2012,硕士.
[23]刘炯.宫颈癌染色体3p14杂合性缺失和微卫星不稳定性研究[D].江西医学院,病理与病理生理学,2003,硕士.
[24]郭骁然.基于人工电磁材料的频率选择表面及吸波体的设计研究[D].北京交通大学,2013.
[25]李怀泽.基于旋转平台的多视角三维重建[D].浙江大学,电子科学与技术,2013,硕士.
[26]董颖春.试论学校、家庭、社会“三位一体”的小学德育模式[D].鲁东大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[27]王佳莲.中医药治疗子宫内膜异位症痛经的现代文献及临床研究[D].黑龙江中医药大学,中医妇科学（专业学位）,2014,硕士.
[28]周正濂.试论杆柱锚定层内压力拱的存在与作用[J].长沙矿山研究院季刊.1982(03)
[29]鲍贵.英语学习者语言复杂性变化对比研究[J].现代外语,2010,02:166-176+219.
[30]张香真.电能质量干扰发生器试验装置的研究[D].华北电力大学（河北）,电力系统及其自动化,2004,硕士.
[31]张宝.高中生父亲教养方式、情绪调节与攻击行为的关系研究[D].河北师范大学,应用心理,2013,硕士.
[32]赵彩宏,黄晓华,李顺,郭文勇,肖立业,林良真,余运佳.超导限流储能系统的集成设计与试验[J].电力系统自动化,2006,01:52-55.
[33]罗仁士,王义惠,于振宇,唐涛.城轨列车自适应精确停车控制算法研究[J].铁道学报,2012,04:64-68.
[34]吴雪琴,闫光荣,朱心雄.基于UML的ASP业务过程建模[J].计算机集成制造系统,2004,S1:5-9+29.
[35]周文慧.情感过滤对二语习得输出过程的作用[D].湖南师范大学,英语学科与教学论,2004,硕士.
[36]赵宇红.我国社会保障全覆盖研究[D].贵州财经大学,行政管理,2013,硕士.
[37]李强.基于PERCLOS的列车司机驾驶疲劳检测研究[D].北京交通大学,2014.
[38]段炜.加工中心盘式刀库换刀系统的故障预警方法研究[D].吉林大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[39]马聪,高峰,田昊,何国庆,李光辉.适用于并网系统低电压穿越的电压检测算法[J].电力系统自动化,2015,05:122-127.
[40]赵喜春.融合ISO9000文化,提升高新技术企业竞争力[J].理论与现代化.2003(06)
[41]陈鹏宇.基于用户偏好查询的路径推荐算法研究[D].华南理工大学,软件工程,2012,硕士.
[42]伦冠民.高等院校独立学院排课系统的设计与实现[D].河北科技大学,计算机技术,2012,硕士.
[43]张丹薇.铜铈二元混合氧化物催化过硫酸氢钾降解苯酚研究[D].哈尔滨工业大学,环境科学与工程,2013,硕士.
[44]陈前恒.农村信用社产权制度改革研究[D].中国社会科学院研究生院,农业经济管理,2003,硕士.
[45]傅诗苑.MANET网络路由协议的研究[D].浙江工业大学,2012.
[46]高魁明.连续退火炉内移动钢板温度的测量(译述)[J].冶金自动化,1980,01:45-47.
[47]江燊煜,陈阔,徐之海,冯华君,李奇,陈跃庭.基于曝光适度评价的多曝光图像融合方法[J].浙江大学学报(工学版),2015,02:256.
[48]曹海亮.石墨烯基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究[D].宁波大学,2013.
[49]李长波.平行不对中联轴器—转子系统非线性动力学分析[D].哈尔滨工业大学,一般力学与力学基础,2013,硕士.
[50]戢丹.糖基修饰的1，2，4-三唑类化合物的合成及生物活性研究[D].天津理工大学,药物化学,2013,硕士.