浙江大学chao gao课题组--聚合物插层辅助层状氧化石墨烯材料的精密热塑性加工

加工能力对于材料的广泛应用以按需锻造结构至关重要。基于石墨烯的宏观材料已显示出优异的机械和功能性能。然而，与通常的聚合物和金属不同，石墨烯材料表现出有限的可变形性和可加工性以进行精确成型。在这里，我们提出了一种通过从氧化石墨烯 (GO) 前体中插入聚合物来精确热塑性成型石墨烯材料。插层聚合物通过聚合物链的热活化运动使 GO 固体具有热塑性。我们检测到一个临界最低含量的插层聚合物，它可以扩大层间距超过 1.4 nm 以激活热塑性，这成为 GO 固体热塑性成型的标准。通过热塑性成型，扁平的 GO 复合薄膜被锻造成高斯曲线形状并压印成具有尺寸精度低至 360 nm 的表面浮雕图案。塑料成型结构保持结构一体化，具有出色的电气性能（3.07 × 105 S m^-1 ) 和热导率 (745.65 W m ^-1  K^-1 ) 去除聚合物后。热塑性策略极大地扩展了 GO 材料和其他层状材料的成型能力，并为更广泛的应用提供了多功能的结构设计。

Figure 1.(a) Pi-GOS 的热塑性成型过程，从平面薄膜到从宏观到纳米尺度的不同压纹结构。(b)热塑性机制示意图，包括 GO 片材的滑动和聚合物链在压力和加热下的活化。

Figure 2. (a)层间距和 FWHM 与 PVA 和 GO 之间重量比的关系图。插图显示了 1.12 nm ( m_PVA / m_GO = 0.4) 和 2.23 nm ( m_PVA / m_GO  = 2) 之间的比较。(b)不同层间距的 Pi-GOS 的玻璃化转变温度测量。(c)随着层间距的增加，储能模量与温度的关系曲线。插图是在 25°C（蓝色）和 95°C（红色）下形成结构与d的变形能力。(d)95 °C (E ₉₅ ) 和 25 °C (E₂₅ ) 与 Pi-GOS 的层间距。

   

Figure 3. (a) Pi-GOS ( d = 3.1 nm) 在 25℃（蓝色）和 95℃（红色）下的典型应力-应变曲线。(b)在25℃（顶部）和95℃（底部）拉伸断裂后Pi-GOS（ d = 3.1 nm）的横截面形态的SEM图像。(c)在 25 ℃（蓝色）和 95 ℃（红色）下具有不同d间距的 Pi-GOS 的杨氏模量和伸长率。(d) Pi-GOS在T _g以下的脆性拉伸断裂和T _g以上的塑性拉伸断裂示意图。

Figure 4. (a)Pi-GOS的热塑性成型过程，从平板纸到具有正曲率的立体结构。(b)相同厚度（32μm）的 Pi-GOS 模压球壳和(c)圆柱壳压痕试验的有限元分析结果。(d0球壳（蓝色方形点）和圆柱壳（红色方形点）的力-位移曲线。实线对应拟合结果。

    

Figure 5. (a)表示从平面到微图案阶段的多压印工艺。比例尺，50μm。(b)通过微压印在Pi-GOS上的表面图案：由三角形形成的简单六边形（左），ZJU标志的浮雕（右）。比例尺，50μm（左），2 mm（右）。(c)高径比与压力和时间的关系曲线。虚线对应拟合结果，点代表实验结果（误差线基于平均值的标准误差）。

      

Figure 6. (a)具有通孔AAO模板的热纳米压印工艺示意图。(b)SEM 观察，(c)结构表示和(d)纳米棒外部和内部制造的 TEM 图像。(e) AAO 模板（上）、印迹 Pi-rGOS 纳米柱（中）和热还原 GLS 纳米柱（下）的 SEM 图像。(f)Pi-rGOS 和 GLS 的拉曼光谱。插图是通过考虑 D 和 G 带的强度比对 Pi-rGOS（上）和 GLS（下）的拉曼映射分析。

     

Figure 7. (a) Janus 印迹 Pi-rGOS 的示意图，每侧具有不同的静态接触角（顶部）和 Pi-rGOS 的可逆变形行为（底部）。(b)在多次润湿测试期间，Janus 薄膜的长度和曲率与循环次数的关系图。(c)GLS分别设置为阴极（蓝色）和阳极（红色）时，表观接触角随电压的变化，以及它们对应的Cassie和Semi-Cassie接触模型。

相关研究工作由浙江大学Chao Gao课题组于2022年在线发表于《Nano-Micro Letters》期刊上，原文：Precise Thermoplastic Processing of Graphene Oxide Layered Solid by Polymer Intercalation。