[发明专利]聚苯并咪唑及其衍生物功能化氧化石墨烯

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种聚苯并咪唑及其衍生物功能化氧化石墨烯及其制备方法。

背景技术

功能化的氧化石墨烯材料兼具石墨烯材料本身的优势和表面官能团赋予的特性，是一种极具潜力的纳米材料。在有机-无机材料复合等领域，可作为无机纳米填料极大的改善材料的性能。

氧化石墨烯功能化方法主要分为共价修饰和非共价修饰，非共价修饰主要利用一些例如静电吸附、氢键和π-π等分子间作用力，将带有目标官能团的分子吸附在氧化石墨烯表面。共价修饰主要利用氧化石墨烯表面已有的含氧官能团发生进一步化学反应生成新的官能团，用这种方法形成的官能团更加稳定不易分解。Wang等人利用生物粘附原理合成了聚多巴胺修饰的氧化石墨烯(DGO)，并将其掺入聚醚醚酮(SPEEK)聚合物中制备了SPEEK/DGO纳米复合质子交换膜，提高了电导率，但由于DGO为非共价修饰，复合膜的化学稳定性较差(J.Mater.Chem.A,2014,2,9548)。Wang等人通过蒸馏沉淀的方法合成了磺化氧化石墨烯(SGO)，并将其掺入SPEEK制备了SPEEK/SGO纳米复合质子交换膜，改善了膜的亲水性和电导率，但是高温下的电导率较低(Journal of Power Sources,2015,286,445-457)。

现有对氧化石墨烯改性的方法，主要为非聚合反应，反应难度较大并且能够引入的官能团数量非常有限。在氧化石墨烯表面采用共价接枝聚合物刷的方式进行改性能更高效的引入大量目标官能团。

发明内容

针对现有的氧化石墨烯功能化方法存在反应步骤繁多、反应活性不强并且引入的官能团含量极其有限等问题，本发明提供了一种聚苯并咪唑及其衍生物功能化氧化石墨烯，在氧化石墨烯表面接枝聚苯并咪唑及其衍生物，功能化石墨烯材料氮元素含量较高且含有大量的苯并咪唑官能团，在有机溶剂里表现出良好的分散性，并且和有机高分子材料保持着优异的兼容性。

本发明的技术方案如下：

聚苯并咪唑及其衍生物功能化氧化石墨烯，其结构式如下：

所述的P_n为聚苯并咪唑或其衍生物，选自P₁：

本发明还提供上述聚苯并咪唑及其衍生物功能化氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将氧化石墨烯超声分散在有机溶剂中，形成氧化石墨烯悬浮液；

步骤2，在氧化石墨烯悬浮液中加入有机单体，搅拌分散均匀，加入脱水环化剂，通氮气保护，在150～200℃下反应；

步骤3，将步骤2得到的反应物加入水中，搅拌分散均匀，去除脱水环化剂，离心，有机溶剂和水交替洗涤，去除杂质，得到聚苯并咪唑及其衍生物功能化氧化石墨烯。

步骤2中，所述的有机单体选自合成P₁的单体为A₁：和B₁：合成P₂的单体为B₂：单体自聚合，合成P₃的单体为A₁和B₃：合成P₄的单体为A₁：和B₄：合成P₅的单体为A₂：和B₁合成P₆的单体为A₂：和B₃：合成P₇的单体为A₂：和B₄：

步骤2中，脱水环化剂为多聚磷酸(PPA)或甲磺酸和五氧化二磷的混合溶液(PPMA)，氧化石墨烯、有机单体、脱水环化剂的质量比为1:1:8～1:5:40，反应时间为0.5～5h。

步骤1和4中，有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)或二甲基亚砜(DMSO)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过共价修饰和聚合反应，在氧化石墨烯表面接枝更多的官能团，具有优异的化学稳定性；

(2)本发明利用具有优异的热力学性能的聚苯并咪唑为修饰基团，聚苯并咪唑及其衍生物功能化氧化石墨烯的热力学性能显著提高；