石墨烯功能化及宏观组装仿贝壳纤维

摘要

石墨烯具有一系列优异的力学、电学、热学等性能，为其提供了广阔的应用前景。目前石墨烯的研究已经取得了诸多进展，无论是在功能化石墨烯、复合材料，还是在石墨烯宏观组装材料领域已有大量的研究工作报道。然而，仍然存在一些尚未解决的难题:1）如何制备高浓度单片分散的功能化石墨烯;2）石墨烯基宏观有序复合材料的连续化制备;3)高含量石墨烯有序复合材料的简便组装方法。针对这些难题，本文开展了相应研究，取得主要结果如下:
　　1、多羟基超支化聚缩水甘油醚(HPG)和氧化石墨烯一步反应，制备了超支化聚合物功能化石墨烯。所得“三明治”状石墨烯杂化体在极性溶剂中具有非常好的单片分散性。随HPG分子量增大，功能化石墨烯中HPG含量和羟基密度会逐渐增加，当HPG分子量为125.8k时，羟基密度最高(7.75mmol/g)。功能化石墨烯表面的大量羟基使其可作为反应平台，通过进一步改性得到长链烷基功能化石墨烯和Pt纳米粒子功能化石墨烯，后者可用作催化剂，如可高效催化对硝基苯酚的模型还原过程。
　　2、发现并确认了HPG功能化石墨烯液晶有序结构，通过湿纺组装方法实现了石墨烯基仿贝壳纤维的连续制备。“三明治”状石墨烯杂化体具有高度可溶性，在高浓度下自发形成液晶有序织构，通过湿纺组装技术能有效地将溶液中的有序结构转移到固体纤维中，得到具有规整“砖-灰”层状结构的连续仿贝壳纤维，实现了石墨烯宏观有序复合材料的连续化制备。在规整的层状结构中，HPG有序的氢键阵列增强了石墨烯层间作用力，为仿贝壳复合纤维提供了较高的断裂强度(125MPa)，引入离子交联可进一步提高至145MPa。这种规整结构还使得仿贝壳纤维具有良好的耐化学腐蚀性，在1M盐酸、1M氢氧化钠溶液或饱和DMF/LiCl溶液中浸泡3天后其强度没有明显下降。
　　3、提出简便的“液晶自模板”法制备连续高强仿贝壳纤维。即在氧化石墨烯液晶“主体”模板中加入“客体”分子HPG，通过湿纺组装得到具有仿贝壳“砖-灰”层状结构的高强纤维。“液晶自模板”法具有简便、高效、易操作等优点，能有效控制石墨烯的含量，并且所得材料具有规整层状结构，为其提供了较高的拉伸强度(555MPa)，共价键交联之后强度提高至652MPa。仿贝壳复合纤维还具有优异的韧性(18MJ/m3)和良好的导电性能(5261S/m)。
　　4、验证了“液晶自模板”法的普适性。采用其他客体物质如聚乙烯醇、Ag纳米粒子和天然高分子海藻酸钠，通过“液晶自模板”复合纺丝组装法制备出多种石墨烯基仿贝壳纤维，表明这一组装方法通用、高效、简便。详细研究了石墨烯-海藻酸钠复合液晶体系。石墨烯的含量可在10-80wt％范围内随意调节，当石墨烯含量在40wt％时，得到最高拉伸强度(785MPa)和较高模量(55GPa)的仿贝壳复合纤维。石墨烯基仿贝壳复合纤维具有高强度、可导电、良好的柔韧性等优点，可用于制备高性能复合材料、导电织物、柔性器件等。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 石墨烯概述

1．2．1 石墨烯的结构

1．2．2 石墨烯的性质

1．2．3 石墨烯的制备方法

1．3 氧化石墨烯

1．3．1 氧化石墨烯的制备

1．3．2 氧化石墨烯的结构

1．3．3 氧化石墨烯的分散性

1．3．4 氧化石墨烯的功能化

1．3．5 氧化石墨烯的还原

1．4 石墨烯宏观组装材料

1．4．1 石墨烯薄膜

1．4．2 石墨烯凝胶

1．4．3 石墨烯纤维

1．5 仿贝壳材料

1．5．1 层层自组装法

1．5．2 冷冻干燥法

1．5．3 机械自组装法

1．6 本文的选题和研究内容

参考文献

第2章 实验试剂、仪器和表征

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器与设备

2．3 表征

第3章 超支化聚缩水甘油醚功能化石墨烯

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 氧化石墨烯的制备

3．2．2 超支化聚缩水甘油醚的制备

3．2．3 超支化聚缩水甘油醚功能化石墨烯的制备

3．2．4 超支化聚缩水甘油醚功能化石墨烯的改性

3．3 结果与讨论

3．3．1 氧化石墨烯的表征

3．3．2 超支化聚缩水甘油醚功能化石墨烯的表征

3．3．3 超支化聚缩水甘油醚功能化石墨烯的作用机理

3．3．4 超支化聚缩水甘油醚功能化石墨烯的后续功能化

3．4 小结

参考文献

第4章 石墨烯-超支化聚缩水甘油醚宏观组装仿贝壳纤维

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仿贝壳复合纤维的制备

4．2．2 仿贝壳复合膜的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 仿贝壳复合纤维的结构

4．3．2 仿贝壳复合纤维的性能

4．3．3 仿贝壳复合膜的结构和性能

4．4 小结

参考文献

第5章 “液晶自模板”法制备高性能石墨烯基仿贝壳纤维

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验装置

5．2．2 “液晶自模板”法制备高性能石墨烯基仿贝壳纤维

5．2．3 高性能石墨烯基仿贝壳纤维的还原

5．3 结果与讨论

5．3．1 高性能石墨烯基仿贝壳纤维的有序结构

5．3．2 石墨烯基仿贝壳纤维的力学性能

5．3．3 石墨烯基仿贝壳纤维的还原

5．3．4 石墨烯基仿贝壳复合薄膜

5．4 小结

参考文献

第6章 石墨烯-海藻酸钠仿贝壳纤维

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验装置

6．2．2 石墨烯-海藻酸钠仿贝壳纤维的制备

6．3 结果与讨论

6．3．1 石墨烯-海藻酸钠凝胶纤维的有序结构

6．3．2 石墨烯-海藻酸钠仿贝壳纤维的形貌

6．3．3 石墨烯-海藻酸钠仿贝壳纤维的力学性能

6．3．4 石墨烯-海藻酸钠仿贝壳纤维的电学性能

6．3．5 其它组成的石墨烯基仿贝壳纤维

6．4 小结

参考文献

第7章 全文总结与创新点

7．1 全文总结

7．2 主要创新点

作者简介与研究成果