石墨烯对有机硅聚合物光学薄膜微观层状结构的调控机制

Organic silicone is the key water vapor barrier materials for moisture-resistance of water-soluble optical crystals. In the organic silicone film, the lamellar structure is an important building block to inhibit the permeation of water molecules in the film. However, its uncontrolled orientation and disorderly packed lamellar nanostructure limits the further improvement of water vapor barrier properties of the film. To solve the issue, our strategy relies on the graphene-templated methodology to fabricate organic silicone optical coating with high regularity and enhanced water vapor barrier properties. In the preparation process, conjugated group-bridged silane is used as precursor and graphene as template. Then the highly regular lamellar nanostructure can be formed by self-assembly of the silane on graphene through the π-π stacking interactions during the hydrolysis and polycondensation process. Furthermore, the effect of organosilane structure, the spieces and quantity of functional groups anchored on graphene surface on the lamellar microstructure will be inspected to elucidate the assembly process of silane on graphene surface. Then the influence of lamellar microstructure on the moisture resistance properties of hybrid film will be investegated to clarify the moisture resistance mechanism, which will provide a theoretical foundation for the design and fabrication of optical film with enhanced water vapor barrier properties.

有机硅聚合物是水溶性光学晶体防潮保护领域的关键薄膜材料。在有机硅薄膜中，纳米层状结构是阻碍水分子在薄膜中扩散的重要构筑单元，然而其取向控制困难与堆积无序的结构特点限制了薄膜防潮性能的进一步提高。针对此问题，本项目提出一种以石墨烯为模板调控硅烷自组装形成高规整度光学防潮薄膜的方法。其中，在有机桥连硅烷分子中引入共轭官能团，使之与石墨烯大共轭体系进行π-π堆叠，以诱导硅烷在水解-缩聚过程中自组装形成二维纳米层状结构，然后将其通过浸渍-提拉法沉积在基底上获得有机硅薄膜。在这一过程中，一方面考察硅烷分子结构、石墨烯表面官能团种类与数量对薄膜微观层状结构的影响规律，阐述有机硅分子在石墨烯表面的组装过程。另一方面，探究微观层状结构对薄膜防潮性能的影响规律，阐明薄膜的防潮作用机理，为设计和制备防潮性能优异的光学薄膜提供理论指导。

防潮涂层是指可以阻挡或延长水分子传输路径的保护屏障，被广泛应用于水溶性光学晶体防潮保护、文物保护、包装材料和太阳能电池等方面。对于这些领域而言，薄膜在具备良好水蒸气阻隔性能的同时还必须具有全透明性。有机硅薄膜材料不仅具有有机组分的可塑性、柔韧性和可调控性等特点，还具有无机组分的刚性、热稳定性和全透明性等优势。作为一种极具应用潜力的光学防潮涂层材料，有机硅薄膜中规整的层状纳米结构是阻碍水分子在膜层内扩散的重要构筑单元。本项目通过调控硅烷前驱体分子结构、溶胶-凝胶工艺条件与石墨烯的制备工艺条件，获得了一系列防潮性能优异的薄膜材料。研究结果发现，在乙酸催化条件下，有机硅薄膜中仅含有层状纳米结构，且随着有机桥连链长度的减小，层状结构规整性提高，防潮性能随之提高，WVTR值可低至3.13 g·m-2·d-1（归一化为25 μm厚的薄膜）；在植酸催化条件下，有机硅薄膜中同时含有囊泡和层状纳米结构，囊泡结构比层状结构更有利于提高薄膜的防潮性能，薄膜的WVTR值可低至0.27 g·m-2·d-1（归一化为25 μm厚的薄膜）；将石墨烯(量子点)引入乙酸催化的有机硅薄膜中，膜层中同时含有“闭孔”和层状纳米结构，构建了一种同时兼具增透与防潮双重功能一体膜，薄膜的WVTR值可低至0.65 g·m-2·d-1（归一化为25 μm厚的薄膜）。最后，本研究项目归纳了硅烷分子结构、催化剂种类和石墨烯(量子点)对薄膜微观纳米结构的影响规律，探究了硅烷分子与石墨烯(量子点)的协同自组装过程，阐明了薄膜微观结构-防潮应用性能的关联性规律，对设计和制备防潮性能优异的新型薄膜材料具有重要的理论指导作用。