功能化石墨烯及其接枝聚合物链制备高性能SBS复合材料的研究

Poly(styrene-butadiene-styrene) (SBS) thermoplastic elastomer bears two major deficiencies of poor mechanical property and insufficient antistatic capability, while graphene is a well known material exhibiting high mechanical strength and superior conductivity. In this proposal, we suggest that, by functionalization of graphene and successively grafting the functionalized graphene to the main chain of SBS polymer, high-performance graphene/SBS composite materials can be prepared. A simple but effective approach will be established by systematically investigating the kinetic behavior and kinetic modelling of the functionalization process. The compatibility issue of the graphene with SBS polymer will be addressed by the combination of graphene functionality optimization and the anionic polymerization grafting process. In order to reveal the mechanism behind the enhancement of mechanical and electrical prosperities of the graphene-functionalized SBS, we will study the effect of graphene load, chain density and length of the polymer, the dispersity of graphene in the polymer matrix as well as the microstructure of the composite. The project described in this proposal not only allows us to prepare high-performance graphene/SBS composite materials, but is also expected to obtain kinetic parameters for the graphene-functionalization of SBS polymer, thus providing valuable guideline for the preparation of highly dispersed inorganic nanomaterial-polymer composite materials.

针对目前聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）热塑性弹性体材料机械性能不佳以及抗静电效果差的不足，结合石墨烯优异的力学性能、高导电性等特点，本项目拟通过石墨烯功能化并接枝聚合物链的方法制备具有工业前景的高性能石墨烯/SBS复合材料。通过功能化反应过程中的动力学行为研究、动力学模型的建立，获得石墨烯功能化的简易高效方法；通过优化功能化的石墨烯与阴离子聚合相结合制备石墨烯接枝聚合物链的工艺路径，解决石墨烯与SBS相容性差的问题；探究石墨烯添加量、石墨烯接枝聚合物链密度、链长短、石墨烯分散情况及复合材料微观结构等对复合材料性能的影响，揭示石墨烯改善SBS机械性能和电学性能的机制。本项目的实施将不仅制备具有高性能的石墨烯/SBS复合材料，而且有望获得石墨烯功能化过程的动力学数据，为制备高分散性无机物/聚合物基复合材料提供重要参考信息。

针对改善热塑性弹性体SBS机械性能不佳以及抗静电效果差的不足，结合石墨烯等片层材料优异的力学性能、高导电性等特点，目标通过石墨烯等片层材料功能化制备高性能SBS复合材料，因此，项目主要围绕如何改善石墨烯等片层材料的分散性来实施。具体有以下三个方面：（1）通过阴离子聚合得到聚异戊二烯(PBIPI)，接着苝酐封端PBIPI分子，由于苝酐封端的PBIPI中的大平面共轭结构苝基团与石墨烯纳米片之间存在π-π吸附作用，从而实现了PBIPI对石墨烯的功能化。功能化后的石墨烯在四氢呋喃、甲苯、氯仿等有机溶剂中具有良好的分散性。TGA数据表明PBIPI分子在石墨烯表面的接枝量约为30%。最后以SBS作为复合材料的聚合物基体，将功能化的石墨烯分散液与SBS的THF溶液共混，制备得到了f-GR/SBS复合材料。通过SEM和TEM观察复合材料的断面及微观形貌，功能化石墨烯在SBS中以片层形式均匀的分散且形成连续的网络结构，说明两者之间的相容性较好，相比纯SBS材料，方案中的复合材料显著提高其机械性能和电导率。（2）在苝酐对石墨烯的修饰过程中，采用阴离子聚合制备嵌段聚合物，然后再制备嵌段聚合物聚苯乙烯-b-聚异戊二烯（PS-b-PI）接枝功能化的苝酐材料，通过核磁，红外以及凝胶渗透色谱表征证明了目标产物的成功合成，制备的这种星型聚合物在溶液和固态下都有非常好的荧光性能和热性能，并且在透射电镜的表征过程中，能够见到明显的微相分离，通过调整嵌段之间的比列，我们发现当PS:PI = 3:7时，PS-b-PI-PBI这种星型聚合物显示出很好的有序结构，并且这种星型聚合物在纳米纤维以及纳米环之间能够可逆转换。（3）制备合成出多种阳离子型特种表面活性剂：双子表面活性剂（Gem）、高分子表面活性剂（PDDA、PIL）、偶氮苯表面活性剂（Azo）等。将其与类石墨烯材料表面进行静电吸附作用，从而改善二维材料的分散性，更好的应用于复合材料的开发。同时总结了提高二维类石墨烯材料稳定性需要注意的几个方面，以期为石墨烯复合材料研究提供一些借鉴。