[发明专利]聚合物功能化石墨烯、及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于化工材料领域，涉及一种多功能化石墨烯，特别涉及一种聚合物功能化石墨烯、其制备方法与应用。

背景技术

石墨烯是低表面能的二维材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层（3-10层）石墨烯的统称。石墨烯具有无毒、化学性能优异、润滑性能优异、机械强度大等特点，并且能牢牢地附着在金属表面，所以可用于取代减少表面粘附与摩擦的薄固体膜层材料，并在生物传感、催化剂、药物传递、聚合物增强、传感器、电极等领域都表现出极大的前景。由于其独特的结构和优异的性能，石墨烯很快成为研究领域的一个新的热点。然而，由于石墨稀片层之间存在着非常强的超分子力，石墨烯极易聚集形成不可逆的三维石墨，从而导致其在有机或者水相溶剂中分散性差，这极大地限制了进一步应用。

为解决石墨烯在有机或者水相溶剂中的分散性差的问题，近年来，围绕着石墨烯的改性，研究人员做了大量的研究工作，常用的方法是使用小分子化合物通过物理或化学方法改性石墨烯。例如：CN104711077A、CN104342236A、CN104726186A、CN103725046A公开了将石墨烯、小分子分散剂及溶剂通过物理方法（如超声分散）制成石墨烯分散液。但是小分子分散剂添加量往往较大，达石墨烯质量的10倍以上，并且单纯的物理分散作用易受环境影响而稳定性被破坏。

研究者发现，由于石墨烯的表面以及边缘存在一定的缺陷和部分含氧官能团，因此通过化学反应对石墨烯进行表面改性来尝试引入极性基团，能够提高石墨烯在不同溶剂中的分散性和稳定性。

CN104031716A、CN103289802A、CN104762122A公开了在石墨烯的表面进行化学改性制成含有表面改质层的石墨烯。文献1（Journal of Materials Chemistry, 22 (39): 21032-21039, 2012.）公开了使用含C8、C12、C18的胺改性石墨烯，再将其加入到润滑油中，其磨斑直径从0.7mm降至约0.65mm。文献2（Journal of Physics D-Applied Physics, 44 (20): 2011.）报道了使用油酸改性石墨烯，再将其加入到润滑油中，其摩擦系数减少17%，磨斑直径减少14%。但是通过小分子改性剂对石墨烯进行改性加入到有机或者水相溶剂中会对物质本身的其他性能有影响，并且小分子改性剂对粒径达数微米以上的石墨烯的稳定效果有限，在非极性介质中稳定性不佳。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种聚合物功能化石墨烯、其制备方法及应用，利用该方法得到的聚合物功能化石墨烯具有聚合物接枝含量高，并在润滑油、塑料、橡胶、涂料、胶粘剂、纤维等聚合物非极性基体中分散稳定性良好的优点。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种聚合物功能化石墨烯，所述石墨烯通过酰亚胺、酰胺、酯基、胺基中的一种或两种以上的组合与聚合物相连，所述聚合物是指分子量为200-500000的至少含有一个苯环的高分子，其与石墨烯通过共价键、氢键和/或π-π共轭相互作用。

一种聚合物功能化石墨烯的制备方法，其包括：将石墨烯与分子量为200-500000的含有胺基、羟基、羧基中的一种或两种以上的组合的反应活性基团的至少含有一个苯环的高分子反应而形成所述聚合物功能化石墨烯。

聚合物功能化石墨烯的用途。例如，提供了一种润滑油组合物，其包含所述的聚合物功能化石墨烯。又例如，提供了一种塑料、橡胶、涂料或胶粘剂，其中包含所述聚合物功能化石墨烯。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

（1）含有胺基、羟基、羧基中的一种或两种以上的组合的反应活性基团的聚合物大分子链与石墨烯的反应位点迅速结合，接技在石墨烯上，聚合物接枝率达30%以上；

（2）本发明得到的聚合物功能化石墨烯的聚合物中含有苯环，其容易与石墨烯上的苯环形成π-π共轭作用，并且通过酰亚胺、酰胺、酯基等基团相连，使其容易形成分子内与分子间的氢键，因此聚合物与石墨烯通过共价键、氢键和/或π-π共轭多重作用力连接，进而本发明得到的聚合物功能化石墨烯在非极性的溶剂中的分散性能优良，并且具有优良的分散稳定性，经过数月长时间保存后，不发生沉淀，其分散机理图见图1；

（3）本发明采用的是制备方法是将含有胺基、羟基、羧基的聚合物通过与石墨烯上的环氧、羧基、羟基等反应，从而共价接枝到石墨烯表面，增加石墨烯在非极性介质中的分散性，同时实现氧化石墨烯的还原，这种化学共价键生成方法简单方便，没有复杂的反应步骤、无需特殊的前处理等；