聚多巴胺功能化石墨烯稳定淀粉基三维网络并协同增强薄膜性能

本研究创新性地采用仿生聚多巴胺（PDA）修饰石墨烯（GDA），通过π-π相互作用构建亲水界面，显著提升疏水性石墨烯与淀粉基质的相容性。结合密度泛函理论（DFT）模拟和流变学/LF-NMR分析，证实GDA与淀粉形成稳定三维网络，使薄膜拉伸强度提升88%（14.8→27.9 MPa），水蒸气/氧气渗透率分别降低30%和40%，为绿色包装材料开发提供新策略。

　　

Highlight

本研究通过仿生聚多巴胺（PDA）界面自聚合策略，成功将疏水性石墨烯转化为亲水性填料（GDA）。π-π相互作用引导多巴胺与石墨烯基底共轭组装，为后续亲水壳层生长奠定基础，同时修复了石墨烯的结构缺陷。

材料与方法

Materials

普通玉米淀粉（直链淀粉含量28%，重均分子量M_w 5.69×10⁷ g/mol）购自诸城兴贸玉米开发有限公司。盐酸多巴胺（纯度98%，M_W 189.64 g/mol）和石墨烯片（厚度1.7 nm，直径8 μm）购自阿拉丁生化科技公司。

纳米复合材料表征与形成机制

X射线光电子能谱（XPS）分析显示，GDA表面存在碳（C）、氮（N）、氧（O）元素。高分辨率C 1s谱图中，284.8 eV处的特征峰证实了石墨烯与PDA的π-π堆叠作用，而286.5 eV（C–O）和288.1 eV（C=O）峰表明PDA成功包覆。傅里叶变换红外光谱（FTIR）中1530 cm^?1处的N–H弯曲振动峰和1280 cm^?1处的酚羟基峰进一步验证了PDA涂层的形成。

流变学与三维网络构建

振幅扫描显示，含5% GDA的淀粉复合体系储能模量（G'）比纯淀粉高2个数量级，表明形成了弹性主导的类凝胶网络。低场核磁共振（LF-NMR）横向弛豫时间T₂从纯淀粉的1287 ms缩短至GDA复合物的892 ms，证实填料-基质间存在强氢键相互作用。

分子模拟与界面机制

密度泛函理论（DFT）计算表明，PDA的邻苯二酚基团与石墨烯的sp²杂化碳原子结合能达?1.82 eV，而淀粉羟基与PDA涂层的氢键结合能为?0.47 eV，这种双重相互作用是界面强化的关键。

Conclusion

通过仿生策略构建的GDA-淀粉三维网络，不仅解决了碳材料与亲水聚合物的本征不相容问题，还通过裂纹偏转机制使薄膜断裂能提升2.1倍。该技术可拓展至其他生物聚合物体系，为高性能绿色复合材料设计提供普适性方案。