殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能研究

陳建光

（廣東省汕頭市公安消防支隊龍湖大隊，廣東汕頭515041）

殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能研究

陳建光

（廣東省汕頭市公安消防支隊龍湖大隊，廣東汕頭515041）

流延法制備了殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合材料。X-衍射表明殼聚糖和氧化石墨烯之間形成強烈的相互作用；力學(xué)性能測試結(jié)果表明，當(dāng)氧化石墨烯含量僅為0.6 wt%時，殼聚糖基復(fù)合材料的拉伸強度提高到64.4 MPa，斷裂伸長率提高到38.8%，與殼聚糖基體相比，分別提高了101%和61.7%。

殼聚糖；氧化石墨烯；性能

石墨烯不僅價格低廉，而且具有片層結(jié)構(gòu)和良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。用石墨烯來改善聚合物的性能具有較大的潛力[1-3]。Ruoff等用化學(xué)方法先后合成出石墨烯/聚合物導(dǎo)電納米復(fù)合材料[4]和無支撐的氧化石墨烯紙[5],掀起了氧化石墨烯應(yīng)用研究的熱潮。與石墨烯相比，氧化石墨烯（GO）不僅含有羥基、環(huán)氧基、羰基、羧基等多種官能團，同時還能被小分子或者聚合物插層，或剝離[6,7]，能有效改善復(fù)合物材料的性能。Wu等[8]將氧化石墨烯片層加入聚合物提高了導(dǎo)電性能，Kai[9]等通過填充氧化石墨烯改善聚合物的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。

本研究通過氧化天然石墨粉制備GO[10]，以流延法成功制得殼聚糖（CS）基復(fù)合材料（CS/GO-n）。通過X-衍射、力學(xué)性能測試和吸濕性能測試，探討GO的含量對CS基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

石墨粉購于上海華誼集團華原化工有限公司。過硫酸鉀（K2S2O8）、五氧化二磷（P2O5）和雙氧水（H2O2）由成都科龍化學(xué)試劑廠提供；硫酸，鹽酸購于重慶川東化學(xué)試劑廠；殼聚糖（平均分子量大于30萬，脫乙酰度大于90%），購自中國南通新程生物工業(yè)有限公司；36%乙酸（分析純），購自重慶茂業(yè)化工公司；蒸餾水。

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF-101S，鄭州）；高功率數(shù)控超聲波清洗器（KQ-400KDV，昆山）；旋片真空泵（2XZ-4，浙江）；多管架自動平衡離心機（TDZ5-WS，長沙）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（CS101-2A，重慶）；真空干燥箱（DZF-6020，上海）。XD-3 X射線粉末衍射儀（北京普析通用儀器責(zé)任有限公司）；Sansi6500型微電子萬能力學(xué)實驗機（深圳），

1.2 氧化石墨烯（GO）的制備

采用Hummers法從天然的石墨粉氧化制備GO[10]。

1.3 CS/GO-n復(fù)合材料的制備

流延法制備CS/GO-n復(fù)合材料：殼聚糖溶于2%（體積比）的醋酸溶液制得2 wt%的溶液，將一定量的GO粉末（0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.5 wt%，相對于殼聚糖基體）溶解在70 mL的水中，超聲分散1.5 h之后，逐滴滴加到殼聚糖醋酸溶液中，60℃下恒溫攪拌5 h，減壓脫泡后在玻璃板上流延成膜，50℃下干燥12小時，并將其編號為CS/GO-n（n代表GO相對于CS的質(zhì)量百分含量），常溫下置于相對濕度為43%的干燥器中。樣品編號及其含量列于表1中。

表1 CS/GO-n復(fù)合材料編號

2 結(jié)果與討論

2.1 X-衍射分析

圖1為GO及CS/GO-n復(fù)合材料的X衍射衍射圖譜（XRD）圖。在GO的譜圖中，2θ=11.1○處出現(xiàn)了一強的衍射峰，層間距為0.8nm，與文獻報道值相一致[11]。純殼聚糖膜（CS/GO-0）在2θ=11.4°、18.3°出現(xiàn)兩個強衍射峰，在2θ=8.3°、16.1°、22.9°出現(xiàn)三個較弱的衍射峰，同文獻報道一致[12]。CS/GO-n復(fù)合材料的XRD圖譜與純殼聚糖的衍射圖譜相似，且在復(fù)合材料中沒有出現(xiàn)GO的特征衍射峰?？赡苁怯捎诘偷奶砑恿?，同時也充分說明GO均勻分散在基體中，與殼聚糖基體之間形成較強的相互作用有效地限制了石墨烯的聚集。再者，GO的添加量對復(fù)合材料XRD圖譜沒有多大影響。

圖1 GO粉末，PS/GO-n復(fù)合材料的X衍射圖

2.2 力學(xué)性能分析

圖2為CS/GO-n復(fù)合材料的力學(xué)性能隨GO含量增加的變化曲線。從圖2中可以看出，添加的GO的可有效改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。隨著GO含量的增加，CS/GO復(fù)合材料的拉伸強度（σb）和斷裂伸長率（εb）均逐漸增大，且在含量僅為0.6%時均達到最大值（64.4 MPa和38.8%），與殼聚糖基體相比分別提高了101%和61.7%，表明GO與殼聚糖基體之間強的相互作用提高了復(fù)合材料的性能，并在殼聚糖基體中起到增強增韌的協(xié)同作用。

圖2 CS/GO-n復(fù)合材料的力學(xué)性能隨GO含量變化的曲線

2.3 吸濕性能分析

圖3為CS/GO-n復(fù)合材料在相對濕度98%的環(huán)境中的吸濕性能（Mu）曲線。從圖中可以看出，CS/GO-n復(fù)合材料的吸濕值要低于CS基體的吸濕值。CS/GO復(fù)合材料的Mu值隨著含量的增加逐漸降低，且在GO的含量為1.5 wt%時，Mu降到最低值66.2%。GO與殼聚糖基質(zhì)之間強的相互作用有效的抑制了水分子在復(fù)合材料中的擴散。

圖3 CS/GO-n復(fù)合材料的吸濕性能曲線

3 結(jié)論

采用流延法制備殼聚糖（CS）和氧化石墨烯（GO）的復(fù)合材料。XRD表明CS和GO之間形成強的相互作用有效地限制了石墨烯的聚集，從而有效改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和降低復(fù)合材料的吸水性。實驗結(jié)果說明氧化石墨烯是一類優(yōu)良的聚合物填充劑。

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責(zé)任編輯 李燕

O433.1

A

1674－5787（2011）01－0153－02

2010-12-11

陳建光（1981—），男，山西保德人，廣東省汕頭市公安消防支隊龍湖大隊工作，主要從事防火滅火材料研究。