石墨烯是一种二维sp2杂化碳材料,也是目前研究得最深入的一种材料。这种由单层碳原子构成的原子晶体,是世界上最薄、最强和最硬的材料,同时也是热和电的优异导体。由于其具有优异的理化性能,使得石墨烯已经被广泛应用于电子器件、能源储存、环境保护、医药、催化等领域。尽管人们在合成新聚合物方面付出了巨大的努力,同时也取得了很大的进展,但是与纳米填料改性的复合材料相比,纯聚合物的性能还是略逊一筹。因此,充分利用石墨烯的优良性能,设计和制备各种高性能复合材料,成为聚合物材料的重要发展方向。本论文在概述了石墨烯复合材料和功能高分子材料最新进展的基础上,着眼于高性能石墨烯-聚合物复合材料的结构及其性能研究。目前石墨烯改性聚合物复合材料的研发主要受限于石墨烯-聚合物界面结构设计,石墨烯在聚合物中的分散程度,以及对构效关系的系统认识。基于这一现状,作者分别研究了两相界面间作用由强(共价键)到弱(π-π堆积、静电吸引、氢键、CH-π、阳离子-π)的改性方法,并且研究了不同界面作用下复合材料对石墨烯的表面性能(π-π堆积、大比表面积)或本体性能(机械强度、导电、透光、导热)的利用。希望通过对石墨烯聚合物复合材料界面结构与性能关系的研究,为高性能石墨烯聚合物复合材料的制备提供理论依据。本论文选取了涵盖医药、环保、能源、新材料领域的五种聚合物进行改性研究,主要内容如下:氧化石墨烯(GO)作为制备石墨烯最重要的前驱体,有着超高的比表面积和强度,且GO制备工艺简单,因此GO用作聚合物的填料有着独特的优势。传统的药物载体聚癸二酸酐(PSA)虽然具有表面溶蚀的优点,但其缓释时间短难以满足慢性炎症的长期释药要求。共价改性不仅能提高填料在聚合物中的分散程度,还能增加两相界面的粘合。因此,在第二章中首先设计和制备了具有酯键、CH-π界面作用的GO-PSA复合材料;然后利用GO表面能形成π-π堆积负载药物的性能制备了负载左氧氟沙星(LOF)的药片;最后在37℃,pH=7.4的缓冲溶液中研究了其缓释性能。对比未改性的载药体系,GO-PSA复合材料具有超长缓释时间及匀速释放的行为,这是因为较强的界面作用降低了 PSA的降解速率,同时LOF是由GO表面控制释放的。聚乙烯亚胺(PEI)对CO2虽然有很高的吸附容量,但其存在比表面积小、易挥发损失的缺点。GO和石墨烯一样具有大的比表面积,在GO-PSA复合材料中只是利用了 GO局部进行π-π堆积,为了充分利用其大的比表面积进行负载,故而第三章首先设计和制备了具有碳氮键、静电吸引、氢键、CH-π、阳离子-π等界面作用的GO-PEI复合材料;然后详细研究了界面结构对复合材料吸附CO2性能的影响,复合材料对CO2的吸附机理。通过热重红外联用技术研究GO-PEI吸附后的热解过程,并探讨了其再生条件。复合材料具有较高的吸附容量、良好的循环稳定性,这是由于低浓度PEI时复合材料形成了三维的空间结构,GO与PEI之间存在强烈的界面相互作用使得复合材料在热力学上更稳定。石墨烯材料不仅具有优异的表面性能,还有超高载流子迁移率、热导率等本体性能。前两章研究了共价键作用下石墨烯材料的表面性能利用,为了研究共价作用下其电学性能的利用,在第四章中设计并制备了具有碳碳键、分子内π-π堆积界面作用的石墨烯改性共轭聚合物(G-CP)复合材料。首次实现了超声辅助溴化制备溴化石墨烯,并通过铃木反应将吩噻嗪、芴、噻吩等共轭单体共聚接枝到石墨烯的表面。详细研究了界面结构对复合材料的光学、电化学性能的影响。最后将其制成太阳能电池器件,并研究了其光电转化性能。石墨烯材料的共价改性虽然能提高其分散程度,及与聚合物之间的界面粘合,但共价改性存在反应过程复杂,需要用到大量溶剂等缺点。因此后两章主要研究石墨烯非共价键作用改性聚合物复合材料。水性聚氨酯(WPU)具有环保、美观等优点被广泛应用于皮革的涂饰,但其存在耐溶剂性、机械强度差等缺点,因此在第五章中通过自组装制备了具有π-π堆积、氢键、CH-π等界面作用的GO/WPU复合材料。对比未改性的WPU,复合材料的分散稳定性、机械强度、耐溶剂性、导电性都有不同程度的提高,这是因为GO均匀分散在材料中,并通过界面组装形成了紧密堆积的结构。有机硅橡胶(SR)因耐黄变、透光率高,在LED封装领域得到了广泛应用,但其同时存在导热性、阻隔性差的问题,故而第六章通过简单的溶剂置换法制备了具有CH-π、氢键界面作用的RGO/SR复合材料。详细研究了界面结构对复合材料的阻隔、力学、光学,特别是导热性能、热膨胀的影响。由于RGO分散均匀,有利于形成导通网络结构,使得复合材料的阻隔性和热导率明显改善。本文通过对五种不同聚合物的改性研究,不仅拓展了石墨烯聚合物复合材料的应用,还构建了不同的界面结构,加深了对此类材料构效关系的认识。研究结果不仅为相关理论计算提供了实验基础,还为高性能石墨烯聚合物复合材料的制备提供了理论依据。