基于氧化石墨烯调控制备的聚合物/碳管导电复合材料

溶液法制备导电聚合物复合材料过程中，常常需要使用表面活性剂或双亲性分子来分散碳纳米管，然而这些导电性差的分散剂包覆在碳管表面会阻碍管间电子传输，制约高导电性复合材料的制备。针对这一问题，申请人拟从双亲性可控的氧化石墨烯制备出发，在聚合物/碳管共混中，以氧化石墨烯作为碳管的分散剂，利用其分散状态的pH响应性调控碳纳米管的分散状态，制备导电网络可控的复合材料。作为分散剂的氧化石墨烯在一定条件下还原后可导电，对碳管间电子传输阻碍小，有利于高导电性复合材料的制备。该研究旨在探索氧化石墨烯调控复合材料导电网络的方法，揭示石墨烯对复合材料中导电网络结构形态和导电行为影响的规律，建立复合材料结构与电性能的关系，为替代传统导电性差的表面活性剂制备高导电性的纳米复合材料提供新的思路和方法。

在溶液法制备聚合物/碳管导电复合材料中，常常需要使用绝缘性的表面活性剂来分散原始碳纳米管，然而这些绝缘性的分散剂会阻碍碳管间电子传输，制约了高导电性复合材料的发展。针对这一问题，我们以氧化石墨烯为分散剂，研究其表面官能团、用量、溶液pH 值等对碳管分散性的影响，并结合聚合物乳胶共混方法，通过自组装的方式制备了具有隔离式导电填料网络的复合材料。研究发现：氧化石墨烯不仅是碳管的分散剂，也可以在化学还原后与碳管形成良好的电学连接, 消除传统表面活性剂阻碍导电的问题。另外，石墨烯可以作为“纳米墙”，限制碳管在聚合物界面上迁移，从而获得更加完整的三维导电网络，达到了形态调控的目的。该方法解决了低微碳纳米粒子在界面上不稳定的问题，为构造结构可控的三维导电网络提供了一种新的思路。石墨烯与碳管之间在结构和性能上的强烈协同效应构造出了高比表面积、结构完整的高质量导电网络，贡献于整个复合材料的导电性能,复合材料最终电性能大大优于使用传统表面活性剂制备的碳纳米管聚合物复合材料。氧化石墨烯在一定条件下还原成为一种可导电的表面活性剂，克服了溶液加工复合材料过程中导电性差的表面活性剂在导电填料表面阻碍电子传输的缺点开辟了一条制备高导电纳米复合材料的新方法，符合研究目标的预期。. 迄今为止，本项目在国内外重要学术期刊上发表论文5篇，包括重要的国际期刊Green chemistry, Nanoscale, Nano letters等， 获得授权国家发明专利1项；参加重要学术会议5 次，联合培养研究生2名。相关研究成果在2013年九院学术年会上获得“优秀口头报告”奖励。氧化石墨烯原位绿色还原的工作发表在英国皇家协会的 Green chemistry上，受到了审稿人的好评，被编辑列为“Hot articles of the week”。利用石墨烯调控碳管导电网络研究工作以封面文章的形式发表在Nanoscale上。