基于硅羟基高反应活性石墨烯分散剂的设计合成及其构效关系研究

The poor dispersibility of graphene is a key issue that limited its practical application. However, most of the dispersants currently used are low efficiency, inevitably impact the performance of the final composites. Aiming at this problem, developing of new type graphene dispersants that can not only stabilize graphene in solvent at high concentration, but also possess high reactivity is proposed in this project. The dispersants can serve as benefit component in the final composites, and they could be synthesized easily by reaction of silane coupling agent with different conjugated centers. The major research contents of this project include: (1) the interaction between graphene and the electron rich/deficient conjugated center; (2) the influence of the amount and the location of the reactive groups on the performance of the dispersant; (3) investigating the influence of different dispersants on the electrical conductivity, thermal conductivity of graphene, and their compatibility with other media; (4) dispersing graphene in both water and several polar solvents by controlling the hydrolyzation degree of the methoxyl groups of a same dispersant. Through this project, the interaction mechanism between graphene and dispersant is expected to be deeply understood, and it can provide theoretical and experimental basis for the development of new type reactive graphene dispersant.

石墨烯的分散性差一直是制约其实际应用的关键问题，然而目前常用的分散剂大多存在着用量大、效率低等缺点，不可避免地对石墨烯复合材料的性能造成负面影响。针对此问题，本项目拟通过将具有不同电子特性的共轭分子与硅烷偶联剂反应，合成出具有高反应活性的新型分散剂，以期在较少的用量下实现石墨烯的高浓度分散，同时使分散剂能在复合材料中作为有效成分存在。项目将重点研究（1）富电子和缺电子共轭中心与石墨烯之间的作用规律；（2）相同共轭中心下，硅羟基数量和位置与分散剂性能之间的关系；（3）不同的分子结构与石墨烯导电、导热性以及与其它介质相容性之间的关系；（4）对分散剂中烷氧基的水解进行调控，进而实现石墨烯在水和多种极性有机溶剂中的分散。通过以上研究，深入理解分散剂与石墨烯之间的作用机制，为进一步发展具有高反应活性的石墨烯分散剂及新型石墨烯基复合材料提供理论和实验依据。

石墨烯具有优异的物理和化学性质，但目前大部分研究成果仍仅停留在实验室阶段。石墨烯粉体在介质中难以均匀分散是制约其规模化应用的关键问题。开发高效的分散剂，研究其结构与性能之间的关系，与此同时赋予其一定的反应活性，对于石墨烯的发展应用至关重要。本项目通过分子结构设计，合成了系列具有反应活性的分散剂；继而将其应用于复合材料的构建，制备了多种高性能的石墨烯基复合材料。通过项目的实施，系统研究了π-π作用型分散剂共轭中心电子结构特性与石墨烯间的作用规律，包括腺嘌呤母体、1,5-二氨基萘母体、噻吩母体、氨基喹啉母体等共轭结构。发现不含杂原子的萘具有最好的效果，是理想的母体结构。通过环氧氯丙烷、乙二胺两步系列开环及取代反应，实现了对亲水基团多寡的可控调节。研究发现，在相同的用量比条件下，较大的亲水基团能更好地克服石墨烯片层间的强π-π作用以及范德华力，能使石墨烯达到更高的分散浓度，且具有更好的溶剂兼容性，对其性能影响十分显著。由于分散剂的亲水基团为硅羟基，具有极高的反应活性及脱水自交联能力，因此在合成分散剂的基础上，利用其结构特性进行了多种基于石墨烯或掺杂型的复合材料制备研究工作，整体上简化了材料制备流程且提高了复合材料的综合性能。将分散剂辅助的石墨烯分散液应用到了碳掺杂相变储能材料的制备中，纳米碳能非常均匀地分散在复合材料内部，大幅提高热导率。同时由于其交联反应活性，材料的机械性能也得到了极大提高，能保持优异的高温稳定性及循环稳定性，可应用到保温涂料及保温织物中。利用分散剂的自交联性能，还进一步将其应用到了复合电极材料中。开发了简化的碳布表面原位生长二硫化钼电极制备工艺，以及交联自支撑电极的制备新方法，省去了导电粘结剂的使用。除此之外，还研究了多种生物质碳基吸附分离材料，实现了稀贵金属的高效回收。本项目为石墨烯分散剂及新型石墨烯基复合材料的进一步发展提供了充实的理论和实验依据。