石墨烯含能化功能改性研究

石墨烯含能化功能改性研究

碳材料是复合含能材料中广泛应用的功能助剂,常用于改善体系的介电常数,降低静电危害,减少因撞击、摩擦产生的危险,并调节燃烧和爆轰性能。石墨烯是具有特殊二维结构的新型碳材料,其良好的导热性、导电性、可调的层数、适中的化学活性等特点,都使其非常适宜做高能炸药体的添加剂。为了将石墨烯引入含能材料体系,本文有目的地对石墨烯进行了功能化改性,通过化学方法修饰上含能官能团,并对改性石墨烯进行了全面表征,对热分解、燃烧等性能进行了分析测试。主要内容如下:首先,通过利用硝化剂直接对氧化石墨烯进行硝化,合成了氮含量较高的硝化石墨烯(Graphene Nitrate,GN);结构分析表明硝化石墨烯表面每8个碳原子可连接一个硝基官能团,且硝化石墨烯中的硝基主要通过C-NO2及O-NO2与石墨烯相连。

其次,通过卤代石墨烯的氨解反应,设计并合成了胺基化石墨烯(Aminated GO,NH2-GO)。该反应原料广泛,实验条件温和,不需要高温高压即可实现石墨烯的胺基化,且收率较高。结构分析显示胺基化石墨烯表面每5~6个碳原子可连接一个胺基,且石墨烯表面胺基主要为伯胺基。最后,通过氮宾直接与石墨烯表面发生加成反应,设计并合成了单硝基芳香氮杂石墨烯(p-Nitrobenzyl-azepine Graphene,G-Azepine)。

该反应合成路线简单,成本低。结构分析表明对硝基苄通过七元氮杂环与石墨烯共价相连,平均每9.6个碳原子即有一个参与到七元环中。热分析测试及点火性能测试结果表明,在三种含能改性石墨烯中,硝化石墨烯具有很好的热稳定性、放热性、燃烧性,可分散于多种溶剂,综合性能最好,有望作为含能化工材料应用于炸药、火药及推进剂领域。胺基化石墨烯热稳定性最高,放热性及燃烧性良好,有望成为新型纳米含能添加剂,在高能炸药体系中起到调节感度的作用。

对硝基苄氮杂石墨烯的点火特性尽管并不如预期,但该产物的合成证明了多硝基芳香化合物通过氮杂环与石墨烯共价结合的可能性,为制备炸药分子氮杂石墨烯奠定了研究基础,同时也有望作为对石墨烯进一步化学改性和修饰的功能性前驱材料,具有相当的科学研究价值和应用潜力。