功能化石墨烯的制备及其高性能杂化材料的构筑

Due to their excellent properties and great promising applications in the fields of aerospace, electronics, packages, and so on, graphene-based macroscopic materials, such as polymeric hybrid and two-dimensional ordered graphene paper, have been the focus of worldwide research interest in recent years. The properties of such materials largely depend on the intrinsic properties of graphene and its surface functionalities. However, the feasible fabrication of high-quality functionalized graphene is still a big challenge in research community. This project proposes a convenient and efficient method for synthesizing a family of high-quality polyether-type polybenzimidazole functionalized graphene. This method involves sequential liquid exfoliation of graphene from graphite, Friedel-Crafts reaction for surface modification, and in-situ polymerization of polybenzimidazole. Additionally, various functional groups can be introduced onto the surface of graphene by using different monomers during in-situ polymerization. The good solubility of the grafted polybenzimidazole guaranteed good processibilty of the functionalized graphene. Meanwhile, the great quantity of active imidazole groups in the polymer chains provide several advantages for the use of these functionalized graphene in applications of polymeric hybrid or assembled graphene paper. In this context, this application also proposes to construct a novel class of high-performance polybenimidazole functionalized graphene based hybrid materials. This research would provide a new methodology and conception for the fabrication of high-quality functionalized graphene and high-performance graphene-based hybrid materials.

由于其优良的性能以及在航空、电子、包装等领域广阔的应用前景，基于石墨烯的宏观材料，如聚合物杂化材料及二维有序石墨烯纸，目前一直是国际上一个研究热点。这类材料的性能在很大程度上依赖于石墨烯本身的性能以及表面功能化，而通过简单的手段制备高品质功能化石墨烯一直是石墨烯研究中的一个难点。本项目提出了一种简单、高效的，通过液相直接剥离加原位Friedel-Crafts反应制备一类高品质聚醚型聚苯并咪唑功能化石墨烯的方法。此方法中，通过改变聚合反应的单体，可以将多种官能团引入到石墨烯表面。聚醚型聚苯并咪唑良好的溶解性将赋予功能化石墨烯良好的可加工性。聚合物中大量的活性咪唑基团也为这种功能化石墨烯在聚合物杂化材料或组装石墨烯纸方面的应用提供了很好的条件。基于此，本项目还提出了一类基于聚苯并咪唑功能化石墨烯的高性能杂化材料的构筑。本项研究将为高品质功能化石墨烯及高性能石墨烯基材料的制备提供新的方法和思路。

石墨烯是近几年来发展起来的一种新型二维无机纳米材料，由于其特殊的二维纳米结构以及优异的性能使石墨烯在化学，物理，材料学，电子学等各个领域具有广阔的应用前景。尤其是它极高的机械强度，出色的导电和导热性能，以及丰富的来源（石墨），使其能作为一种理想的无机纳米组分来制备聚合物杂化材料，石墨烯本身的性能及表面功能化决定了杂化材料的最终性能。因此通过简单的方法制备高品质石墨烯或表面功能化石墨烯一直是目前的研究热点之一。本项目首先采用“一锅法”通过液相剥离及原位Friedel-Crafts反应制备了聚醚型聚苯并咪唑共价接枝的改性石墨烯，通过改变反应原料单体可将多种聚苯并咪唑分子共价接枝于石墨烯表面。得到的改性石墨烯缺陷较少，保留了石墨烯优异的本征特性。接枝聚合物不仅赋予了石墨烯在有机溶剂中良好的分散性，而且由于聚合物中存在大量的活性咪唑基团，使得这种改性石墨烯可与其他聚合物产生共价或非共价作用。基于此，我们利用改性石墨烯做为填料制备了石墨烯/环氧树脂复合材料。咪唑基团与环氧基团之间的开环反应使得填料与聚合物基体之间产生强烈的共价作用。这种界面共价作用加上改性石墨烯良好的分散性使得环氧树脂的力学性能及热学性能均得到大幅提升。我们还利用聚苯并咪唑改性的石墨烯制备了高性能杂化石墨烯纸。由于聚苯并咪唑对石墨烯的交联作用以及聚苯并咪唑本身优异的力学及热稳定性，使得这种石墨烯纸的热稳定性及力学性能均优于纯石墨烯纸。最后，我们设计合成了一类新型的超支化-线性共聚的聚苯并咪唑对石墨烯或其他碳材料进行非共价改性。由于超支化单元对石墨烯表面较强的结合力及线性单元良好的成型性，使得我们提高了石墨烯在溶剂中的剥离效率，并可一步制备高性能石墨烯/聚苯并咪唑复合材料。本项目提出的石墨烯制备改性方法具有简单高效、得到的石墨烯缺陷少等特点，利用改性石墨烯制备的杂化材料也表现出优良的物理性能，这些研究结果为高品质石墨烯及高性能石墨烯基材料的制备提供了新的方法。