γ射线诱导三维超强石墨烯体可控构建机制研究

The 3 dimensional graphene architectures (3DGs) integrated by 2 dimensional graphene sheets (2D) show a great potential in the field of polymer reinforcement. In our project, to solve the problem of “weak mechanical properties of the existing 3DGs”, 3DGs with super mechanical properties are successfully fabricated by irradiating the mixture of graphite oxide and acrylicamide aqueous solution with γ rays and then lyophilizing the graphene hydrogel produced by irradiation. Firstly, the change trend of the structure of graphene sheets in 3DGs is assured. Secondly, the influences of graphene sheet structures and fabrication parameters on the structures of 3DGs and the change rules of 3DGs structures are discussed according to the theory of gelation of kinetics and the model of ice crystal shaping and sublimation. Thirdly, the mechanical properties of 3DGs are evaluated to study the impact of structures on mechanical properties of 3DGs. At last, the relation among “the component of original materials – irradiation parameters – structure of graphene sheets – lyophilization parameters – structure of 3DGs – mechanical properties of 3DGs” is investigated and then the controllable fabrication technique of 3DGs is grasped. This project can supply a theory evidence and an experiment base for applying the γ ray technique in the producing and modifying carbon nanomaterials. It will show a great theory value and realistic meaning for promoting the development and application of graphene derivant.

整合二维石墨烯片以构建三维石墨烯体，在聚合物力学增强领域展现出了广阔的应用前景。本项目针对目前“石墨烯体自身力学性能弱”的问题，采用γ辐照技术处理丙烯酰胺中的氧化石墨得到石墨烯水凝胶，将其冷冻干燥制得具有超强力学性能的石墨烯体。首先明确辐照下三维结构体中的石墨烯片微结构变化规律；其次，引入γ射线诱导的凝胶动力学理论及冻干过程中冰晶成型、升华模型，分析石墨烯片层结构及制备条件参数等对石墨烯体精细结构的影响，探索石墨烯体结构演化规律；再者表征石墨烯体力学性能，研究石墨烯体结构与其力学性能的构效关系；最终建立“原料组成-辐射条件-石墨烯片层结构-冻干工艺-石墨烯体结构-石墨烯体力学性能”中多参数耦合作用关系，掌握基于γ辐照的三维超强石墨烯体可控构建方法。项目将为γ辐照技术在碳纳米材料制备及改性领域应用提供理论依据和实验基础，对于推动石墨烯衍生物材料的开发和应用具有重要的理论价值和现实意义。

近年来，γ射线辐照技术因其能量大、穿透力强、可批量处理等优点，已成为绿色化制备、改性技术的一个重要发展方向。本项目利用γ射线辐照丙烯酰胺中的氧化石墨，得到了石墨烯水凝胶，之后将石墨烯水凝胶进行冻干，得到了三维石墨烯结构体，研究了石墨烯结构体及其增强环氧树脂复合材料的力学性能，评价了影响石墨烯结构体力学性能的重要参数。具体内容和结果如下：.（1）在γ射线辐照下，PAM链段因在GO的层间不断的接枝而越来越长，长链段之间逐渐增大的排斥力将GO剥离开，这样就得到了功能化的石墨烯水凝胶，对水凝胶进行冷冻干燥，即可得到三维石墨烯结构体材料。.（2）比较三维石墨烯结构体热处理前后的结构、性能的差异，验证功能化石墨烯网络与PAM网络相互交织缠绕形成双网络结构。热处理前后的三维石墨烯结构体均具有稳定孔结构和优异的机械性能。其中辐照前后的杨氏模量分别为1.70MPa和207.9kPa，抗压强度分别为1.45MPa和2.93MPa。通过调整GO/AM混合溶液的配比可以制备出不同结构的石墨烯结构体，随着AM含量的增加复合材料有形成孔结构的趋势，当GO与AM质量比达到1:1.5后，即可形成双网络结构，从而得到了超强的3D石墨烯结构体。.（3）将GO于PAMAM混合并超声，将混合物的絮凝物冻干后也可得到三维石墨烯结构体。相比于石墨烯增强的复合材料，拉伸强度提高了120.9%，压缩强度提高了148.3%，弯曲强度和模量分别提高了43.2%和57.3%，玻璃化转变温度升高了15 ℃；相比于共混法制备的含有0.10 wt% 石墨烯 的复合材料，拉伸强度增强了76.2%，压缩强度提高了86.9%，玻璃化转变温度升高了7 ℃。充分证明了三维石墨烯结构体可以实现复合材料力学性能及热稳定性的大幅提高，从而从侧面验证了超强石墨烯结构体的可控制备。