功能化氧化石墨烯的设计制备及其应用研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 袁瑞 |
| 答辩日期 | 2019-05-16 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 陈建敏 ; 陈磊 |
| 关键词 | 氧化石墨烯 复合材料 功能化 分子动力学 Graphene oxide Nanocomposite Functionalization Molecular dynamics simulation |
| 学位名称 | 理学博士 |
| 学位专业 | 物理化学 |
| 其他题名 | 无 |
| 英文摘要 | 氧化石墨烯及其衍生物与聚合物复配制备高性能功能复合材料是近年来的研究热点之一。其中功能化氧化石墨烯作为纳米填料在树脂中发挥补强作用主要取决于两个条件：首先，要有良好的分散性，否则团聚的纳米填料会造成树脂结构中出现局部缺陷；其次，要有较强的结合，形成功能化氧化石墨烯与树脂之间的协同补强效应。目前针对功能化氧化石墨烯的设计合成及应用仍处于快速发展阶段，尤其针对其作为复合涂层中的新型功能填料还有许多科学及技术问题需要进一步探究：（1）在分子层面上进一步明确改性剂与氧化石墨烯的界面结合方式对相应产物的结构及性能的影响；（2）功能化氧化石墨烯在聚合物中的微观状态及与树脂基质的相互作用机理研究有待进一步深化；（3）发展极性可控的功能化氧化石墨烯制备方法，为其在不同聚合物体系中的高效应用提供理论依据和技术指导；（4）通过分子设计，研制发展拥有特殊结构功能化氧化石墨烯，进一步优化其应用性能、拓宽应用范围。本研究针对上述问题采用微观模拟结合宏观实验的方法，从石墨氧化过程及高质量氧化石墨烯合成出发，利用分子模拟在分子层面上明确了改性方式、改性基团对氧化石墨烯结构和性能的影响机制，并以此为基础设计制备了一系列高性能极性可控的功能化石墨烯。此外，设计制备了拥有“板-锚”状、“板-钉”状及“花瓣”状结构的功能化氧化石墨烯，深入探讨了这三种复合物的结构和性能关系。通过上述工作的开展，为高性能功能氧化石墨烯的结构设计和制备方式选择提供了理论依据和技术指导，主要内容和结果如下： 1.采用分子动力学模拟（MD）对石墨氧化过程中的片层结构变化及氧化机理进行了系统研究。结果表明石墨的氧化过程中硫酸分子不能自发浸入石墨片层，石墨氧化经历了从片层边缘到中心逐步反应的过程。在此过程中石墨片层间距的扩大及氧化剂向未氧化区域的扩散是整个氧化反应的动力学控速步，该过程可以通过引入超声进行加速。理论指导实验，在相应氧化过程中引入超声可以极大提高石墨氧化速率使原来12h完成的反应在3h内完全氧化，有效避免了氧化时间过长氧化副反应的发生。同时氧化产物中羧基含量较高环氧基含量较少，更有利于后续功能化处理及产物脱水。此外，超声引入还可以有效改善石墨受潮氧化不完全的现象。该部分的研究工作为后续功能化氧化石墨烯母片的选择提供了理论支持和应用指导。 2.通过物理吸附和共价键接枝两种改性方式，制备了聚丙烯酰胺（PAM）功能化的氧化石墨烯及聚天门冬氨酸（PASP）功能化的氧化石墨烯。研究发现通过共价键接枝的产物的解离能352.6kJ/mol，远大于通过氢键吸附结合的产物596.4J/mol，且相应产物的分散性、稳定性及对树脂的补强性能改善也更为显著。因此，对于用于树脂补强的功能化氧化石墨烯填料，采用共价键接枝的改性方式补强效果可能更好。 3.采用KH570为表面改性剂，通过反应条件及反应物含量控制，设计制备了一系列极性可控的功能化氧化石墨烯复合物，有效解决了其在不同溶剂体系中的稳定分散问题。研究发现氧化石墨烯片层上的羟基与水解的KH570结合生成的离子对最稳定是化学接枝的最佳位点。所合成的GO-KH570-2复合物作为补强填料可以大幅提升PI树脂的机械性能、摩擦磨损性能及腐蚀防护性能，是适合PI树脂体系的优质高效填料。 4.设计制备了一系列具有特殊结构的功能化GO，包括：拥有自固定效应的“板-锚”状POSS功能化的GO复合物，聚合物尺寸可控的“板-钉”状PASP功能化的GO复合物以及氧化反应原位合成了“花瓣状”GO-MnPO4H2O复合物，系统研究了这些复合物的结构、化学性质、形成机理及在补强树脂和电化学领域的应用，为高性能氧化石墨烯的制备提供理论依据和技术指导。 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/25254]  |
| 专题 | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| 作者单位 | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 袁瑞. 功能化氧化石墨烯的设计制备及其应用研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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