共价功能化六方氮化硼纳米片的新方法

Owing to its unique structure and excellent physical properties, hexagonal boron nitride nanosheets show great potential applications in the field of polymeric composites. Unfortunately, because of its surface inertness and strong tendency of aggregation, it is difficult to covalently functionalize hexagonal boron nitride, greatly hindering their applications. We herein propose a novel method for covalent functionlization of boron nitride by utilizing reduction chemistry and subsequent reaction with radicals. In this project, we will systemtically inversigate the relationship between linear alkyl chain length, boron nitride/sodium-naphthalide molar ratio, absolute sodium concentration etc. and grafting ratio, grafting density and dispersibility in solvents for alkyl-functionalized boron nitride. Also focused is composite materials formed with alkylated boron nitride and a polymer matrix. We will explore the effect of different degree of functionalization on dispersion, microstructures in the polymer matrix and physical properties of composite materials, fabricating high performance nanocomposites with superior mechanical properties and heat conduction efficiency. Via reduction chemistry, “grafting to” and “grafting from” methods will be, respectively, used to obtain polymer–modified boron nitride nanosheets, and a comparative study will be performed to maximize exfoliation and dispersibility. The investigations will provide significant experimental and theoretical basis for the covalent functionalization of boron nitride nanosheets and fabrication of high performance nanocomposites.

由于其独特的结构和优异的性能，六方氮化硼纳米片在高分子基复合材料等领域有着巨大的应用潜力，但氮化硼纳米片极易聚集，表面惰性，难以共价功能化，大大限制了其应用。本课题提出利用还原处理和随后与自由基的反应来共价功能化氮化硼的新方法。本课题拟深入、系统地考察直链烷基长度、氮化硼/钠萘盐摩尔比、钠正离子的绝对浓度等与烷基功能化氮化硼的接枝率、接枝密度和在溶剂中的分散溶解性的关系，并研究烷基化的氮化硼与高分子基体形成的复合材料，探索不同程度功能化的氮化硼在高分子基体的分散、微观结构及其对复合材料宏观物理性能的影响，构建具有优越机械性能和导热效能的纳米复合材料。利用还原反应，分别采用“grafting to”和“grafting from”方法高分子接枝改性氮化硼纳米片，并进行对比研究，以便达到最佳的分散剥离。这些研究将为实现氮化硼纳米片的共价功能化及高性能纳米复合材料的构建提供重要的实验和理论依据。

六方氮化硼以其独特的结构和优良的物理性能而备受关注，特别是在六方氮化硼纳米片(BNNSs)中，在多种技术应用中具有广阔的应用潜力。然而，其严重的层层聚集和与加工液体或凝聚相材料的不相容构成了巨大的挑战。在本项目中，我们成功地采用了一种简便的、可放大化的化学还原方法，利用钠萘溶液负电化功能化氮化硼。通过其与不同碳长度的烷基卤化物反应，合成了可分散于有机溶剂的烷基化BNNSs。尽管接枝碳链的密度降低，但增加接枝碳链的长度，其在氯仿等有机溶剂中的溶解分散度显著提高。以碘烷烃为最有效的接枝剂，烷基链长度的增加显著提高了其在有机溶剂中的溶解分散度。在LDPE中加入烷基功能化的BNNSs后，复合材料的力学性能显著提高, 这归因于化学调控的强界面和高结晶度纳米片的均匀分散。这种方法可以很容易地扩展到其它功能化基团，此方法可调节表面化学，以制备高质量的功能化且剥离的BNNSs，以利于其广泛应用。还原化学提供了简单、高效和通用的化学修饰BNNS途径。另外，BNNSs通过化学还原带负电荷，然后利用“grafting to”和“grafing from”两种方法制备PMMA修饰的可溶于有机溶剂的BNNSs。接枝的聚合物链促进填充物与聚合物基体的相容性，增强了界面，使纳米填料分散均匀，显著提高了复合材料的力学性能。通过还原功能化成功的原位接枝也为通过引入嵌段共聚物和其他适当的变体来调节BN的性质开辟了新的途径。改性的BNNSs在复合涂层和介电薄膜等方面具有广泛的应用前景。负电化BNNSs的为化学功能化修饰氮化硼提供了一条简单、多样化且可放大化的新途径。