CN107936525A

CN107936525A - 层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料及其制备方法

Info

Publication number: CN107936525A
Application number: CN201711165845.6A
Authority: CN
Inventors: 傅佳骏; 蔡鑫磊; 叶盛
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明公开了一种层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料及其制备方法。该材料的具体制备步骤如下：利用炔基和叠氮基分别对单层氧化石墨烯进行表面功能化修饰，而后通过“点击化学反应”制备层层共价连接的氧化石墨烯堆叠层，最后将该层层共价连接的氧化石墨烯材料作为添加剂加入聚氨酯材料中。本发明制备出的层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料，相较于普通的氧化石墨烯填充的聚合物材料，不仅能提高基体聚合物的强度，还能提高基体的材料的韧性。

Description

层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料及其制备方法

技术领域

本发明属于聚合物材料领域，涉及一种增强增韧聚合物材料，具体涉及一种层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯的杨氏模量则高达1000 GPa，是一种常用的聚合物材料增强添加剂。石墨烯是一种二维的成蜂巢状的平面薄膜，由碳原子以sp²杂化组成，其厚度仅为0.35 nm，是目前发现的最薄的二维材料。自2004年Geim等通过机械剥离石墨的方法成功制备出石墨烯后，其在全世界引起了广泛关注。

通过Hummers法将石墨氧化成为氧化石墨, 在超声条件下分散可得到单层的氧化石墨烯的分散溶液, 再通过化学还原获得石墨烯。氧化石墨烯具有和石墨烯相类似的平面结构, 在氧化石墨烯的面上与边缘上含有大量的基团, 如羟基、环氧基、羰基、羧基、酯基等。这些特殊的含氧官能团有利于对氧化石墨烯进行表面改性制备特定功能的改性氧化石墨烯。

研究表明，向聚合物中添加少量的氧化石墨烯可以有效提高聚合物的强度。例如，高等【高莹,等.复合材料学报,2016,33,53】通过溶液混合法制备了GO/聚乙烯醇的复合材料，加入1 wt%的氧化石墨烯填料，可使复合材料的硬度和弹性模量分别提高28.9%和23.3%。然而，向聚合物中添加氧化石墨烯材料，在提升聚合物强度的同时会降低聚合物材料的韧性；因此，制备出一种能够同时提高聚合物材料强度和韧性的添加剂具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料及其制备方法。

本为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种层层共价连接的氧化石墨烯材料，将氧化石墨烯片层之间通过共价键连接形成堆叠层结构。

进一步的，堆叠层的厚度为50-100 nm。

本发明还提供了一种层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料，通过将上述层层共价连接的氧化石墨烯材料作为填充剂填充到聚氨酯中得到。

进一步的，层层共价连接的氧化石墨烯材料占所述聚合物材料总质量的1~2%。

本发明还提供了上述层层共价连接的氧化石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备叠氮基表面功能化修饰的氧化石墨烯纳米片；

（2）制备炔基表面功能化修饰的氧化石墨烯纳米片；

（3）将步骤（1）和步骤（2）制备的表面功能化修饰的氧化石墨烯纳米片通过“点击化学”反应进行层层共价连接制备氧化石墨烯材料。

进一步的，步骤（3）中“点击化学”反应进行层层共价连接制备氧化石墨烯材料步骤如下：

（a）将一定量的叠氮基和炔基表面功能化修饰的氧化石墨烯，分散于二甲基甲酰胺溶剂中，超声分散均匀;

（b）向步骤（a）的分散液中加入溴化亚铜、N, N, N', N,' N''-五甲基二亚乙基三胺(PMEDTA)，氮气气氛下反应后透析、过滤、乙二胺四乙酸(EDTA)水溶液洗涤、干燥后得到层层共价连接制备氧化石墨烯材料，其中，叠氮基和炔基表面功能化修饰的氧化石墨烯的质量比1：1。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

（1）氧化石墨烯片层之间通过共价键连接，结构稳定，在往聚合物材料添加的过程中，结构不会被破坏；

（2）通过溴基引发的原子转移自由基聚合反应，可以控制层间共价键的长度，从而可以制备出层间距离可调的层层共价连接氧化石墨烯材料；

（3）本方法制备的层层共价连接的氧化石墨烯材料用于聚合物材料的添加剂，能够同时提高聚合物的强度和韧性，具有广泛的应用前景和实用价值。

附图说明

图1为本发明所述的层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料的制备过程示意图。

图2为本发明所制备的层层共价连接的氧化石墨烯材料的原子力显微镜图片(左图)及对应的高度分布曲线(右图)。

图3为层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料的应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1 制备层层共价连接的氧化石墨烯材料

步骤一：制备叠氮基修饰的氧化石墨烯片层

1、将50 mg氧化石墨烯分散于100 mL二甲基甲酰胺溶剂中，加入0.42mL的二溴异丁酰溴和三乙胺的混合液，混合液的体积比为5:2，冰浴下反应24 h，过滤、水洗、干燥得到溴基表面功能化修饰的氧化石墨烯片层；

2、将步骤1中制备的溴基功能化修饰的氧化石墨烯片层,分散于水溶液中，加入3.5 mg溴化亚铜、325 mg丙烯酰胺单体以及25 μL的PMEDTA，氮气气氛下反应24 h后，利用3500的透析袋透析、过滤、乙二胺四乙酸(EDTA)水溶液洗涤、干燥后得到聚丙烯酰胺表面功能化修饰氧化石墨烯片层；

3、将步骤2制备的聚丙烯酰胺表面功能化修饰氧化石墨烯片层分散于50 mL的二甲基甲酰胺溶剂中，加入50 mg的叠氮化钠，室温搅拌、水洗得到叠氮基表面功能化修饰的氧化石墨烯片层。

步骤二：制备炔基修饰的氧化石墨烯片层

1、将50 mg氧化石墨烯分散于30 mL四氢呋喃溶剂中，加入60 mg NaH，氮气气氛下室温反应30 min；

2、用自动进样器在40 min内向步骤（7）的分散液中缓慢加入200 mg溴代丙炔，搅拌反应24 h，洗涤、干燥制备炔基功能化修饰的氧化石墨烯片层。

步骤三：制备层层共价连接的氧化石墨烯材料

1、分别取50 mg的叠氮基和炔基表面功能化修饰的氧化石墨烯，分散于100 mL二甲基甲酰胺溶剂中，超声分散30min;

2、向步骤（9）的分散液中加入25 mg溴化亚铜、110 μL的PMEDTA，氮气气氛下反应48 h后透析、过滤、乙二胺四乙酸(EDTA)水溶液洗涤、干燥后得到层层共价连接制备氧化石墨烯材料。

实施例2制备层层共价连接的氧化石墨烯材料

步骤一：制备叠氮基修饰的氧化石墨烯片层

1、将50 mg氧化石墨烯分散于100 mL二甲基甲酰胺溶剂中，加入0.5 mL的二溴异丁酰溴和三乙胺的混合液，混合液的体积比为5:2，冰浴下反应12 h，过滤、水洗、干燥得到溴基表面功能化修饰的氧化石墨烯片层；

2、将步骤1中制备的溴基功能化修饰的氧化石墨烯片层,分散于水溶液中，加入5 mg溴化亚铜、400 mg丙烯酰胺单体以及30 μL的PMEDTA，氮气气氛下反应48 h后，利用3500的透析袋透析、过滤、乙二胺四乙酸(EDTA)水溶液洗涤、干燥后得到聚丙烯酰胺表面功能化修饰氧化石墨烯片层；

3、将步骤2制备的聚丙烯酰胺表面功能化修饰氧化石墨烯片层分散于50 mL的二甲基甲酰胺溶剂中，加入70 mg的叠氮化钠，室温搅拌、水洗得到叠氮基表面功能化修饰的氧化石墨烯片层。

步骤二：制备炔基修饰的氧化石墨烯片层

1、将50 mg氧化石墨烯分散于30 mL四氢呋喃溶剂中，加入50 mg NaH，氮气气氛下室温反应40 min；

2、用自动进样器在30 min内向步骤（7）的分散液中缓慢加入150 mg溴代丙炔，搅拌反应36 h，洗涤、干燥制备炔基功能化修饰的氧化石墨烯片层。

步骤三：制备层层共价连接的氧化石墨烯材料

1、分别取50 mg的叠氮基和炔基表面功能化修饰的氧化石墨烯，分散于80 mL二甲基甲酰胺溶剂中，超声分散60 min;

2、向步骤（9）的分散液中加入30 mg溴化亚铜、150 μL的PMEDTA，氮气气氛下反应48 h后透析、过滤、乙二胺四乙酸(EDTA)水溶液洗涤、干燥后得到层层共价连接制备氧化石墨烯材料。

实施例3 制备层层共价连接的氧化石墨烯材料

步骤一：制备叠氮基修饰的氧化石墨烯片层

1、将50 mg氧化石墨烯分散于100 mL二甲基甲酰胺溶剂中，加入0.6 mL的二溴异丁酰溴和三乙胺的混合液，混合液的体积比为5:2，冰浴下反应48 h，过滤、水洗、干燥得到溴基表面功能化修饰的氧化石墨烯片层；

2、将步骤1中制备的溴基功能化修饰的氧化石墨烯片层,分散于水溶液中，加入4.5 mg溴化亚铜、500 mg丙烯酰胺单体以及40 μL的PMEDTA，氮气气氛下反应48 h后，利用3500的透析袋透析、过滤、乙二胺四乙酸(EDTA)水溶液洗涤、干燥后得到聚丙烯酰胺表面功能化修饰氧化石墨烯片层；

3、将步骤2制备的聚丙烯酰胺表面功能化修饰氧化石墨烯片层分散于100 mL的二甲基甲酰胺溶剂中，加入90 mg的叠氮化钠，室温搅拌、水洗得到叠氮基表面功能化修饰的氧化石墨烯片层。

步骤二：制备炔基修饰的氧化石墨烯片层

1、将50 mg氧化石墨烯分散于30 mL四氢呋喃溶剂中，加入70 mg NaH，氮气气氛下室温反应60 min；

2、用自动进样器在60 min内向步骤（7）的分散液中缓慢加入300 mg溴代丙炔，搅拌反应48 h，洗涤、干燥制备炔基功能化修饰的氧化石墨烯片层。

步骤三：制备层层共价连接的氧化石墨烯材料

1、分别取50 mg的叠氮基和炔基表面功能化修饰的氧化石墨烯，分散于80 mL二甲基甲酰胺溶剂中，超声分散90 min;

2、向步骤（9）的分散液中加入40 mg溴化亚铜、200 μL的PMEDTA，氮气气氛下反应48 h后透析、过滤、乙二胺四乙酸(EDTA)水溶液洗涤、干燥后得到层层共价连接制备氧化石墨烯材料。

如图1所示，叠氮基修饰的氧化石墨烯片层和炔基修饰的氧化石墨烯片层通过“点击化学”反应能够制备出层层共价连接的氧化石墨烯材料；再将所述层层共价连接的氧化石墨烯材料分散液加入聚氨酯材料分散液再一起超声分散均匀，成型后得到层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料。由图2可知，原子力显微镜证实制备的层层共价连接的氧化石墨烯材料厚度约为50-100 nm。

实施例4 制备层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料

取实施例1制备的层层共价连接的氧化石墨烯材料0.01g和0.99 g聚氨酯材料一起加入二甲基甲酰胺中搅拌，混合均匀，成型、干燥后利用万能拉伸试验机测试复合材料的力学性能，如图3，原始聚氨酯材料的拉伸强度为1.3 MPa，伸长率为1800%，而层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚氨酯材料的拉伸强度为4.5 MPa，伸长率为2000%；和原始聚氨酯材料后证实层层共价连接的氧化石墨烯材料的增强增韧作用。

实施例5 制备层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料

取实施例1制备的层层共价连接的氧化石墨烯材料0.02g和0.98 g聚氨酯材料一起加入二甲基甲酰胺中搅拌，混合均匀，成型、干燥后利用万能拉伸试验机测试复合材料的力学性能，如图3，原始聚氨酯材料的拉伸强度为1.3 MPa，伸长率为1800%，而层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚氨酯材料的拉伸强度为8.1 MPa，伸长率为2100%；和原始聚氨酯材料后证实层层共价连接的氧化石墨烯材料的增强增韧作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.层层共价连接的氧化石墨烯材料，其特征在于，将氧化石墨烯片层通过共价键连接形成堆叠层结构。

2.如权利要求1所述的氧化石墨烯材料，其特征在于，堆叠层的厚度为50-100 nm。

3.层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料，其特征在于，通过将权利要求1或2所述的层层共价连接的氧化石墨烯材料作为填充剂填充到聚氨酯材料中得到。

4.如权利要求3所述的聚合物材料，其特征在于，层层共价连接的氧化石墨烯材料占所述聚合物材料总质量的1~2%。

5.层层共价连接的氧化石墨烯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备叠氮基表面功能化修饰的氧化石墨烯纳米片；

（2）制备炔基表面功能化修饰的氧化石墨烯纳米片；

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，“点击化学”反应进行层层共价连接制备氧化石墨烯材料步骤如下：

（b）向步骤（a）的分散液中加入溴化亚铜、N, N, N', N,' N''-五甲基二亚乙基三胺，氮气气氛下反应后透析、过滤、乙二胺四乙酸水溶液洗涤、干燥后得到层层共价连接制备氧化石墨烯材料，其中，叠氮基和炔基表面功能化修饰的氧化石墨烯的质量比1：1。

7.层层共价连接的氧化石墨烯材料填充的聚合物材料的制备方法，其特征在于，通过将权利要求1或2所述的层层共价连接的氧化石墨烯材料与聚氨酯材料一起超声分散均匀于溶剂中，成型、干燥后得到所述聚合物材料。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，溶剂采用二甲基甲酰胺。