石墨烯纳米复合自振荡凝胶的制备及其性能研究

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智能型凝胶材料是一类生物启发的仿生功能材料,是近年来材料科学研究的热点之一。由于具有轻、柔、韧等特性,凝胶材料在人工智能、智能机器人、柔性电子器件等战略新兴领域具有广阔的应用前景。然而传统的凝胶缺乏能量耗散机制,物理机械性能差,制约了其在更广阔领域的应用。石墨烯掺杂纳米复合凝胶能够大幅提升凝胶的力学性能,同时使其具有导电功能。而基于化学振荡反应的自振荡型凝胶具有能够自主、可逆、循环地进行物理化学性质变化的性能。石墨烯纳米复合凝胶的电学性能和力学性能均很优良,而且在柔性电子器件、生物传感器及能量存储器件等方面的研究已取得巨大的成就;同时自振荡凝胶的研究也取得了令人瞩目的成果。将石墨烯纳米复合材料优异的电学性能和力学性能与自振荡型材料自主、可逆、循环地进行物理及化学性质变化的自振荡性能进行结合,制备一类新型智能化的多功能纳米复合材料,探索其在柔性电子器件领域的应用,不但保留它们各自的优势特点,而且这种集多种优异性能于一身的新型智能化多功能材料在更广阔的领域将具有重要的潜在应用价值。本论文通过简单的方法制备了几种基于Belousov-Zhabotinsky(BZ)化学振荡反应的石墨烯纳米复合自振荡凝胶,并对其化学结构和物理性质进行了表征,主要研究内容包括以下三部分:1、将具有良好生物相容性的天然高分子β-环糊精(β-CD)、丙烯酸(AA)、5-丙烯酰胺基-1,10-菲啰啉-双(1,10-菲啰啉)合铁(Fe(phen)3)和还原氧化石墨烯(RGO)以化学和物理双交联的方式成功制备P(β-CD-co-AA-co-Fe(phen)3)/RGO自振荡纳米复合凝胶。测定了凝胶的热稳定性、导电性能、机械性能等,并研究了石墨烯含量对凝胶电学性能、机械性能及溶胀性能和自振荡性能的影响。结果表明,该凝胶溶胀可逆性好,热稳定性和导电性良好,韧性高。2、采用原位聚合的方法,通过掺杂RGO成功制备了一种新型的高导电性能和良好机械性能的P(AA-co-Fe(phen)3)/PVA/RGO自振荡纳米复合凝胶。对所制备凝胶的结构、形貌、电学性能、机械性能、溶胀性能、体积自振荡性能进行测定,并研究了石墨烯含量对凝胶力学性能、电学性能及溶胀性能的影响。结果表明,所制备凝胶具有良好的机械性能,当拉伸应变为1020%时其弹性模量达到65.2 KPa,压缩量为70%时其弹性模量达到236.4 KPa,此外,RGO含量为0.67 wt%时凝胶导电率高达18.2 S·m-1,并且其自振荡振幅可达到20 mV。3、以Fe(phen)3、AA、丙烯酰胺(AM)为原料,通过加入RGO,利用原位聚合法且伴随超声辅助的方法成功制备了一系列组成不同的具有良好导电性能和机械性能的P(AM-co-AA-co-Fe(phen)3)/RGO纳米复合自振荡凝胶。此外,该凝胶的压缩强度可达4.1MPa。
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