二维聚合物刷@石墨烯薄膜的设计、制备及其弯曲调控的研究

The project aims to graft polymer brushes with different stimuli responsive properties on both sides of graphene film respectively to build the two-dimensional asymmetric polymer brush@ graphene films via the combination strategy of non-covalent modification with surface initiated atom transfer radical polymerization technique. The initiator self-assembly process and its stability on graphene surface will be systematically studied by scanning probe techniques. Then the polymerization conditions will be optimized through regulation of polymerization temperature, reaction time, and monomer concentrations. Finally, expansion force produced by polymer brush conformational changes drives the two-dimensional film with directional and controllable bending under different external stimuli conditions (such as solvent, temperature, and pH). The stimuli response behavior of polymer brushes on graphene surface will be studied, and the relationship between the bending radius of polymer brush@graphene film and the grafting density, polymer thickness, aspect ratio of the 2D film will be further investigated. The study of this project aims to provide theoretical basis and technical support for the preparation of graphene based mechanotransduction components.

本研究结合非共价修饰和表面引发原子转移自由基聚合在石墨烯两面分别接枝具有不同刺激响应性的聚合物刷构筑非对称的二维聚合物刷@石墨烯薄膜。主要围绕：（1）通过原子力显微镜等手段研究引发剂分子在石墨烯表面的自组装过程及其稳定性；（2）考查接枝聚合反应温度、时间、浓度等实验条件，研究聚合物刷在石墨烯表面的接枝动力学、接枝密度，优化最佳反应条件；（3）利用聚合物刷的构象改变产生的膨胀力驱动二维薄膜定向可控弯曲，研究不同外界刺激（温度、溶剂、pH）下石墨烯表面聚合物刷的刺激响应行为，并进一步研究接枝密度、厚度、二维薄膜的长宽比等因素与薄膜弯曲曲率半径的相互关系，为制备石墨基力传导元件提供理论依据与技术支持。

表面修饰是调控表面性能的重要手段，现有的方法中仍存在基底与修饰剂之间的化学特异性要求高、过程复杂、设备昂贵等问题。该课题围绕石墨烯、碳纳米管、天然植物等材料的非共价修饰与性能调控展开研究，主要包括：（1）以聚多巴胺为过渡层，制备了具有不对称结构和优异亲水性能的还原氧化石墨烯（rGO）/聚合物刷复合薄膜，通过调控亲水性聚合物刷的构象转变和水合状态的变化实现了薄膜在水和不同湿度条件下的弯曲调控，薄膜弯曲曲率随薄膜长宽比增大、聚合时间延长和湿度增大而增大，为石墨烯基湿度传感器的研究提供了理论依据。（2）分别选择含儿茶酚结构的单宁酸（TA）和邻苯二酚，以及含-NH2结构的三乙烯四胺、四乙烯五胺和己二胺为原料，制备了三种酚胺聚合物，通过一步法实现了碳纳米管、石墨烯、玻璃纤维、聚四氟乙烯、无纺布及阳极氧化铝等多种基底的无损表面修饰，并进一步通过锚固溴引发剂和表面引发原子转移自由基聚合法成功在表面接枝多种不同聚合物刷，从而实现了材料表面性能的调控，建立了基于酚胺聚合物的新型材料表面修饰方法。（3）以酚胺聚合物P(TA-TEPA)为主要吸附组分，分别以rGO/聚丙烯酰胺（PAM）、原始（AM）和预处理后（Pre-AM）的天然植物海芋茎为结构支撑组分，一步法制备了三种酚胺聚合物复合材料，并研究了其对重金属离子Cr(VI)的吸附性能。结果表明，三种复合材料的最大吸附量分别为394.32 mg/g（308K）、285.65 mg/g（298K）和500 mg/g（298K）；其中，P(TA-TEPA)修饰的Pre-AM复合材料展现了优异的快速吸附性能，在20 min内即可达350 mg/g，而P(TA-TEPA)修饰的AM可直接从吸附溶液中取出分离，制备过程也更简单。所制备的复合材料具有较好的循环稳定性和吸附选择性，在Cr(VI)吸附方面有潜在的应用价值。本课题的研究结果对酚胺聚合物在材料表面修饰、智能材料与重金属离子吸附方面具有重要的科学和应用价值。