纳米石墨片等离子体表面功能化改性计算机模拟研究及其应用

纳米石墨片（Graphene）以其优异的机械、热学、电学和阻隔性能，在新材料、电子器件等领域有巨大的应用潜力。但基于导电高分子复合材料的Graphene在高分子材料中的应用首先要解决的问题就是Graphene在聚合物基体中的分散以及界面问题，其中关键因素是Graphene与聚合物的之间的相互作用。因此，将Graphene进行等离子体表面功能化，使其表面接枝上一定数量的活性基团-COOH、-OH、-NH2，使Graphene与高分子之间获得更大的作用力，从而克服Graphene的团聚。由于等离子体的反应过程较复杂，受多种物理化学参数的影响，因此为了实现等离子体对Graphene表面有效的功能化处理，必须通过大量实验，研究描述功能化过程的模型体系，建立反应过程的化学平衡、热力学与动力学数学模型，研究各因素的影响关联性，进而提升功能化效能，计算机过程模拟是一种切实有效的研究方法。

通过超声辅助分散的方法制备了较低导电逾渗值(1.2 wt%)的碳纳米管(CNTs)/硬质聚氨酯泡沫(RPUF)导电复合材料，发现复合材料的电性能能够在较宽温度、较长的时间内保持其稳定性， 2 wt% CNTs的加入能够使得聚氨酯泡沫材料得到较好的强度和耐热性增强效果。通过氧化-化学还原法制备石墨烯(GNSs)，研究了还原时间、温度对石墨烯表面官能化及其性能的影响，发现在95℃还原3h下石墨烯的碳氧比达到15.1，电导率由1.5×10-6提高至5 S/cm，取得了较佳的还原效果。将官能化的GNSs用于硬质聚氨酯泡沫复合材料，并与CNTs改性的RPUF复合材料性能进行对比研究，发现GNSs相比CNTs对聚氨酯泡沫材料更好的力学性能和热稳定性增强效果，这可以从其独特的二维褶表面皱结构和更高的比表面积来解释。探索了导电碳纳米粒子几何形态对其导电网络的影响，通过对GNSs和CNTs填充的聚苯乙烯(PS)复合材料在不同温度、电场强度及填料浓度下进行热处理并原位测量电阻变化来研究材料的动力学逾渗行为，结果表明材料的动力学逾渗时间随电场强度、热处理温度及填料浓度的增加而减小，GNSs与相比CNTs更易形成导电网络，二者形成导电网络所需的活化能分别为100 kJ/mol 和80 kJ/mol。此外，我们采用了一种简单、环境友好的方法制备了GNSs/聚乙烯醇(PVA)纳米复合薄膜，当GNSs体积含量为0.72%时，复合薄膜的氧气渗透系数和透湿系数分别降低98%和68%，这主要归结于GNSs优异的阻隔性能，表明片纳米填料复合是制备高阻隔复合薄膜的有效手段。相关研究成果先后在Nanotechnology, Journal of Membrane Science, Polymer International等国内外核心期刊上发表学术论文13篇，其中SCI收录13篇，EI收录13篇，其中发表在国际知名杂志Nanotechnology的论文被ESI数据库收录。培养博士研究生2名，硕士研究生1名。