硅烷化石墨烯的制备及其与聚硅氧烷的相容性研究

石墨烯是单原子厚度的二维碳原子晶体，既不亲水，也不亲油，极易团聚，不利于石墨烯的研究与应用。本项目以硅烷作为功能化试剂，通过对石墨烯硅烷功能化，改变石墨烯既不亲水，也不亲油，加工困难的状况；通过硅烷功能化试剂的种类及其配比、反应温度、反应时间、催化剂的种类和用量等工艺条件的改变，展开硅烷化石墨烯的结构与性能关系研究，以求获得硅烷化石墨烯结构、性能与制备工艺条件之间的规律。通过探讨石墨烯、不同结构与性能的硅烷化石墨烯表面对聚硅氧烷的吸附均匀性、吸附层厚度，以及（硅烷化）石墨烯与聚硅氧烷复合体系的玻璃化转变温度变化、界面相容性和力学性能的研究，对探索石墨烯、硅烷化石墨烯与聚硅氧烷分子链的结合方式、作用机理，阐述并解决石墨烯与聚硅氧烷之间的界面相容性问题，具有重要意义。成果可望应用于石墨烯器件的聚硅氧烷封装，或者为制备高导电、高导热、高耐老化的新型石墨烯/聚硅氧烷复合功能材料提供新的方法。

石墨烯是一种单原子厚度的二维蜂窝状结构的碳原子晶体，具有优异的机械、导热、导电、高强度等性能。然而，其表面呈化学惰性，既不亲水，也不亲油，超高的比表面积和易团聚，使得石墨烯与其他介质相容性较差，阻碍了它的研究与应用。针对这些问题，本项目利用氧化石墨烯的可反应性，选择合适的硅烷功能化试剂和其他功能性试剂对其进行石墨烯功能化研究。通过对功能化试剂的种类及其配比、反应温度、反应时间、催化剂的种类和用量等工艺条件筛选出了功能化试剂改性石墨烯的最优条件，并运用现代的分析测试技术对功能化石墨烯的结构和性能进行较为系统的分析研究，获得了功能化石墨烯结构、性能与制备工艺之间的一些基本规律。同时，本项目中还研究了将功能化的石墨烯分散到聚硅氧烷等聚合物中，制备了功能化石墨烯基的聚合物复合材料。通过探讨石墨烯、功能化石墨烯表面与聚硅氧烷等聚合物的吸附性、界面相容性，研究了他们之间分子链的结合方式、作用机理，阐述并解决了石墨烯与聚硅氧烷等聚合物之间的界面相容性问题。本项目中还研究了功能化石墨烯基的聚硅氧烷等复合材料的机械和热力学性能、导电性能，发现功能化石墨烯作为填料，以极少量的加入到聚合物中就可较大程度的提高复合材料的拉伸强度、杨氏模量、热稳定性以及导热率和导电率；同时还发现石墨烯材料在复合膜材料中表现出了较好的紫外线屏蔽效应。这些研究成果为功能化石墨烯的制备及其复合材料在电子元器件领域中导热、导电、抗静电、封装等领域的应用提供了坚实的技术基础。本项目在研究过程中，曾先后邀请了美国密西根大学安娜堡分校化学系ZHAN CHEN教授和美国康涅迪格大学化学系LUYI SUN副教授来校交流了有机硅聚合物表面与界面化学官能团取向分布研究方法与聚合物共混制备新工艺与界面研究新进展的技术，培养研究生7名，在Journal of Materials Science，Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Colloid and Polymer Science, 化学学报，无机化学学报等刊物上发表学术论文23篇，其中SCI收录论文13篇，EI收录论文7篇；申请国家发明专利2件；经费使用合理，圆满完成了预定计划。