[发明专利]超支化聚缩水甘油醚接枝石墨烯纳米复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超支化聚缩水甘油醚接枝石墨烯纳米复合材料及制备方法。

背景技术

石墨烯是一层由碳原子以sp²杂化连接而成的二维碳原子层，其厚度只有0.34 nm，是目前发现的最薄的二维纳米材料。经研究发现，石墨烯具有超高强度、极大的比表面积，高的热导率以及载流子迁移率等多种优异的特质，使其在晶体管，超级电容器，选择透过性膜，增强材料等诸多领域具有广泛的应用前景。但是石墨烯在一般溶剂中很难溶解或分散，从而限制了其结构性能的深入研究以及工业上的广泛应用。研究发现化学改性是制备可溶解石墨烯的有效方法。如天然石墨在浓硫酸、过二硫酸钾、五氧化二磷、高锰酸钾、双氧水等强氧化剂作用下，经超声分散，可得到氧化石墨烯 (V. C. Tung, et al. Nat. Nanotechnol., 2009, 4, 25–29)。氧化石墨烯可以较好的分散在水和N-甲基2-吡咯烷酮等极性有机溶剂中。以氧化石墨烯为原料进行功能化并还原，可制得具有一定分散性的功能化石墨烯。

近几年来，已有一些聚合物接枝石墨烯的报道，如通过叠氮化物与氧化石墨烯反应，可以将聚合物链接枝到石墨烯表面制得分散性好的功能化石墨烯（H. K. He, et al. Chem. Mater. 2010, 22, 5054-5064）；利用原位缩聚法将尼龙接枝到石墨烯表面，提高了其溶解性（Z. Xu, et al. Macromolecules 2010, 43, 6716-6723）；通过乙烯基单体原位自由基聚合（L. Y. Kan, et al. Macromolecules, 2011, 44, 444-452），将各种聚合物链接枝到石墨烯表面等，为聚合物接枝石墨烯开辟了新路。

超支化聚合物(Hyperbranched polymers)已被认为是继线形、轻度支化、交联高分子之后的第四类高分子(C. Gao, D. Yan, Prog. Polym. Sci. 2004, 29, 183-275)。由于具有独特的三维结构，溶解性好，熔体和溶液的粘度小，大量的末端官能团等优异性能，超支化聚合物在涂料、助剂、纳米粒子稳定剂等领域具有广阔的应用前景。超支化聚缩水甘油醚是一种典型的多羟基超支化聚合物，经缩水甘油开环聚合而成，分子量可在几千到几十万范围内调整，可溶解在水、醇和极性有机溶剂中(L. Zhou, et al. Chem. Mater. 2011, 23, 1461-1470)。如能将超支化聚缩水甘油醚接枝到石墨烯上，则可能制备出多官能基功能化石墨烯。但是，如何将超支化聚合物简单方便的接枝到石墨烯上得到具有良好分散性的功能化石墨烯仍然是一个挑战。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种超支化聚缩水甘油醚接枝石墨烯纳米复合材料及制备方法。

超支化聚合物接枝石墨烯纳米复合材料是由超支化聚缩水甘油醚均匀包覆在石墨烯上构成的，超支化聚合物接枝石墨烯纳米复合材料的单片高度为1.5-8 nm。

所述的超支化聚缩水甘油醚由缩水甘油单体经开环聚合而得。

所述的超支化聚缩水甘油醚的重量含量为超支化聚合物接枝石墨烯纳米复合材料总重量的10-65%。

超支化聚缩水甘油醚接枝石墨烯纳米复合材料的制备方法是：在反应器中加入1重量份的氧化石墨烯，50-2000重量份的溶剂，1-100重量份的超支化聚缩水甘油醚，通氮气，加热到140-220 ℃，反应2-50 h, 经离心，洗涤，干燥，得到超支化聚合物接枝石墨烯纳米复合材料。

所述的溶剂选自N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、环丁砜，或者它们的混合物。

本发明利用原子力显微镜和扫描电子显微镜等对聚合物接枝石墨烯的形貌进行了观察，采用红外光谱、热失重等对其进行了结构表征。得到的超支化聚缩水甘油醚接枝石墨烯在水及极性有机溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中具有良好的分散性，可经溶液加工成膜，可应用于涂料、机械润滑、生物润滑、纳米载药、多官能分子反应平台、纳米复合材料等领域。本发明的制备方法与传统的制备方法比较，具有明显的优点，如操作简单易行、可重复性好、可大量制备等。

附图说明