基于片状无机内核的纳米离子流体的调控制备及其结构－流变性能关系研究

以表面具有均一官能团的石墨烯作为模型片状无机内核，构建具有部分离子液体特性、纳米粒子"自悬浮"的纳米离子流体（NIF）新材料。通过调控其化学组成与结构来控制其性能，特别是其流动性能。通过对这种结构可控的新型流体进行深入的流变学研究，获得关于片层纳米粒子NIF结构－流变性能关系的基本认识。使用片层黏土纳米粒子构建具有相似结构与组成的NIF材料，探寻所得物理规律的普适性。并进一步与基于零维和一维纳米粒子所形成的NIF进行比较，考察无机内核几何形状对NIF流动行为和相行为的影响。整个研究的顺利展开，将为构筑一个具有自分散、可流动、并具备绿色溶剂特性的石墨烯材料的应用平台提供实验与理论支持。另一方面，将形成关于NIF这种新型软物质结构－流变性能的规律性认识，实现能动地控制其性能的目的。

纳米离子材料（NIMs）是一种新型的有机—无机混杂材料，是由带多电荷的无机内核与带反离子的有机聚合物配对形成。NIMs具有离子液体的部分结构特征，在无溶剂的条件下即可表现出良好的流动性。本项目以二维石墨烯纳米片层为内核制备NIMs，并以石墨烯功能化的方法为手段对石墨烯NIMs的结构进行调控，系统研究了石墨烯表面带电荷有机物的取代度，以及内核与外层反离子低聚物之间的离子相互作用强度等因素对石墨烯NIMs性能的影响。本项目取得的主要研究结果包括：.(1) 采用氮烯化学对氧化石墨烯（GO）表面进行功能化修饰，制备出高取代度的羟基功能化石墨烯G-OH（～1/20骨架碳）。以G-OH为内核分别制备出具有不同结构类型的石墨烯NIMs：a）阳离子内核vs阴离子内核；b）相同阴离子内核，但不同外层阳离子配体（伯胺型vs叔胺型）。.(2) 探讨了石墨烯NIMs的复杂结构变化对流变性能、热性能、分散稳定性的影响：a）在相同石墨烯固含量条件下，流动性的强弱存在如下规律：基于氮烯化学制备的高取代度石墨烯NIMs > 基于GO制备的低取代度石墨烯纳米离子共混材料 > 纯物理共混样品。b）内核离子类型（阳离子vs阴离子）、外层配对离子结构（伯胺vs叔胺）影响离子相互作用，离子相互作用越强，材料的模量和黏度越高，分散稳定性越好，而结晶程度却越受到抑制。改变以上结构可以调控石墨烯纳米离子材料性能。c）可以进一步通过偏离等当量点的方法制备不同石墨烯固含量的纳米离子共混材料，拓宽材料性能范围。.(3) 采用氮烯化学制备羧基化石墨烯，结合羧基酰化、酰胺化反应制备共价键功能化的高取代度石墨烯混杂材料。研究发现共价键型纳米材料也具有较好流动性，与以上三种高取代度NIMs流变性能类似。这表明无机内核与外层低聚物的离子键相互作用并不是NIMs具有良好流动性的必要条件。.(4) 以二氧化硅为零维模型纳米粒子，制备同样基于有机组分间酸碱作用，但具有不同相互作用强度的NIMs。研究表明，离子相互作用强度同样对二氧化硅类NIMs的流变性能具有显著影响，验证了所得基本结构—性能规律的普适性。. 整个研究的顺利展开，为构筑一个具有自分散、可流动等优良特性的新型石墨烯材料提供了实验与理论支持，所得结果也有助于理解NIMs这种新型软物质微观结构与流变性能之间的规律性认识。