基于氧化石墨烯的聚合物溶液和纳米复合水凝胶的液晶行为及其机理研究

As a typical 2D layered material, how to achieve the graphene doping into nanocomposites orderly has been a huge challenge. Graphene and graphene oxide (GO) exhibit liquid crystalline (LC) behaviors in organic solvent or aqueous dispersions, but there are very few reports for them in hydrogels. The proposer has found that the addition of some polymers or monomers into the dispersions benefits to the formation of GO LC structures, and new LC structures are formed during the gelation process, in addition the GO LC structures in the tough hydrogels can be highly oriented along the elongation direction under a high tensile strain. Therefore, this project aims to prepare GO nanocomposite hydrogels with excellent mechanical properties by utilizing different preparation methods, and study the formation and change of LC structures before and during the gel preparation process, as well as the orientation of LC structures under a high mechanical deformation, revealing the mechanisms for the formation and change of GO LC structures. The introduction of GO LC structures into hydrogels as well as the orientation of LC structures under a high mechanical deformation might lead to tough hydrogels with anisotropic mechanical and optical properties, so this study may open a new direction in the application of graphene and hydrogels.

石墨烯作为一种典型的二维层状材料，如何实现其在纳米复合材料中的有序性一直是一个巨大的挑战。石墨烯和氧化石墨烯(GO)在有机溶剂或水分散体系中均表现出液晶行为，但关于石墨烯或GO在水凝胶体系中的液晶行为的研究还极少。申请人在前期的初步研究中发现一些聚合物或单体的加入更有利于GO液晶结构的形成，在凝胶形成过程中有新的液晶结构出现，且在所得的高机械强度凝胶被高度拉伸的情况下液晶结构沿拉伸方向高度取向。本项目拟采用多种方法制备具有优异力学性能的GO复合凝胶，并对不同体系在形成凝胶之前和凝胶化过程中液晶结构的形成以及凝胶形成后在发生大的形变下液晶结构的变化等问题进行研究，揭示GO液晶态结构形成和变化的机理。凝胶体系中GO液晶的引入以及在高形变下液晶结构的取向，将有望得到在机械性能和光学性能等方面具有各向异性的水凝胶材料，为石墨烯和水凝胶的应用开辟新的方向。

石墨烯是一种新型的、具有独特的光学、电学、力学、热学等性能的二维碳纳米材料，它在生物医学、能源催化、光电存储等领域有着广阔的应用前景和价值。本项目将GO溶液的液晶结构引入至聚合物体系中，成功制备了具有液晶结构的、高强度的纳米复合水凝胶，并对凝胶的液晶结构和宏观性能之间的关系进行了较为系统、深入的研究。主要研究结果如下：.1、将液晶态GO引入至PAAm/PVP水凝胶体系中，成功制备了一种具有液晶结构和高机械性能的PAAm/PVP/GO纳米复合水凝胶，并研究了GO在水凝胶的形成及形变过程中的液晶行为。研究结果表明AAm/PVP/GO溶液在凝胶化的过程中会形成液晶液滴，且该液晶液滴的形状和构象会随着凝胶化时间的变化而变化，最终形成稳定的大液晶液滴。同时，该凝胶的液晶结构在应力作用过程中会沿着拉伸方向高度取向，当应力卸载后具有可逆的液晶相转变行为。 .2、利用GO独特的液晶结构，成功制备了一种温敏型PNIPAM/GO纳米复合液晶水凝胶。该凝胶中的液晶结构随温度的变化而呈现可逆的转变。当GO浓度为5.0 mg/mL时，PNIPAM/GO凝胶呈现出宏观取向的液晶结构，这种宏观取向的液晶结构使PNIPAM凝胶具有各向异性的力学性能和体积相转变行为。在平行取向方向上，PNIPAM/GO水凝胶的拉伸强度要明显大于其在垂直于取向方向上的强度（分别为330 kPa和173 kPa）。 .3、借助于偏光显微镜和偏振光源，研究了不同电性和浓度的聚合物对GO溶液的微观液晶结构及宏观相分离行为的影响。研究表明：中性和带负电荷的聚合物对GO溶液的向列相具有增强作用, 而带正电荷的聚合物的加入会削弱GO溶液的液晶相。聚合物的加入会影响GO溶液中GO/聚合物聚集体的尺寸和溶液的Zeta电位，进而影响GO溶液的相分离行为。.4、利用定向冷冻技术制备了微观结构有序、宏观性能优异的聚乙烯醇/氧化石墨烯（PVA/GO）仿生海蜇水凝胶，该凝胶不仅在微观形貌上十分接近天然海蜇的结构，同时还在含水量高达97%的条件下，表现出非常优异的机械性能，其最大拉伸断裂强度和压缩强度（90%）分别达到了0.17 MPa和2.0 MPa。另外，借助于优异的凝胶性能，该凝胶在药物缓释和细胞培养方面都表现出不错的应用前景。