氧化石墨烯—水性丙烯酸樹脂彈性復合材料的制備及其性能研究

摘 要：本研究運用改良Hummers法來制備氧化石墨烯，并將其作為納米增強材料與丙烯酸酯彈性乳液混合通過物理共混法來制備得到氧化石墨烯/水性丙烯酸樹脂彈性復合材料（GO/PA）。通過傅里葉紅外（FT-IR）對復合材料的結(jié)構(gòu)進行表征，用掃描電鏡（SEM）對復合材料的形貌進行觀察。實驗研究表明，在整個體系中加入少量的氧化石墨烯，復合膠膜的斷裂面出現(xiàn)了大量均勻分散的納米厚度片層結(jié)構(gòu)，說明氧化石墨烯在丙烯酸酯彈性乳液中分布均勻。

關(guān)鍵詞：丙烯酸酯彈性乳液；氧化石墨烯；力學性能

1 實驗部分

1.1 實驗原材料

低羥值丙烯酸酯彈性（PA）乳液，羥值：20mgKOH/g。氧化石墨烯（GO），自制；水性異氰酸酯固化劑（3100），異氰酸酯基團含量為17.4 wt%，科思創(chuàng)聚合物（中國）有限公司。

1.2 實驗儀器

RGM-3030型微機控制電子萬能試驗機，深圳市瑞格爾儀器有限公司制造；TENSOR II型傅立葉紅外光譜儀，布魯克（北京）科技有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；電子天平（型號：BSA224S-CW），賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；三頸燒瓶（500ml）；燒杯（250ml）；一次性吸管（3ml）；磁子；聚四氟乙烯模板。

1.3 復合材料的制備過程

電子天平準確稱取一定量的氧化石墨烯（GO）粉末倒入燒杯，并加入定量的去離子水，然后放入超聲機清洗機中直至氧化石墨烯完全分散（超聲分散技術(shù)）后取出，加入一定量的PA乳液，加入磁子放入磁力攪拌器里攪拌至完全混合均勻停止（大約2.5h），再加入4.5g（固定值）的水性異氰酸酯固化劑（3100）繼續(xù)攪拌30min后制得氧化石墨烯/丙烯酸酯復合乳液（GO/PA-x），當氧化石墨烯含量分別為0wt%，0.25wt%，0.5wt%，0.75wt%，1.0wt%時，復合乳液編號記為GO/PA-0，GO/PA-0.25， GO/PA-0.5，GO/PA-0.75，GO/PA-1。

電子天平準確稱取復合乳液為20g倒入聚四氟乙烯模板上均勻分布，在室溫中放置7天左右，等待自然風干，再放入真空干燥箱中控制60℃下烘干2h后取出，制得厚度為60±5μm的干燥乳膠膜并置入干燥器中保存待用。

1.4 復合材料的表征

紅外光譜圖：將試樣取一小片放在儀器測試部位。測試不同體系中試樣，仔細觀察光譜圖中特征峰記錄測試數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)觀察不同復合材料的峰位的變化。

掃描電鏡圖：使用液氮冷凍斷裂法對復合材料膠膜進行冷凍斷裂處理，用日本HITACHI公司S-4800型掃描電鏡（SEM），認真觀察氧化石墨烯（GO），純丙烯酸酯（PA）以及GO/PA復合材料膠膜斷裂面的微觀形貌。

2 結(jié)果與分析

在整個氧化石墨烯/水性丙烯酸樹脂彈性復合材料體系中，丙烯酸酯彈性乳液作為有機樹脂基體，氧化石墨烯作為無機填料。其中兩種物質(zhì)的相容性（并存，親和，協(xié)調(diào)，配伍）是影響整個復合材料獲得良好性能的主要因素。

2.1 紅外光譜分析

圖1 紅外光譜圖

圖1分別是氧化石墨烯（GO），丙烯酸酯乳液（PA）和GO/PA-0.75復合材料的紅外光譜圖，由圖1可見，氧化石墨烯（GO） 出現(xiàn)了明顯的羥基-OH 伸縮振動峰（3440.40cm-1），強烈的羰基C=O伸縮振動峰（1730cm-1-1634cm-1）以及C-O-C鍵 的伸縮振動峰（1114cm-1-1218cm-1）。PA在1730cm-1處出現(xiàn)了為酯羰基O-C=O伸縮振動吸收峰，1162cm-1和1245cm-1處出現(xiàn)了連續(xù)兩個吸收強峰為酯基的碳氧單鍵C-O-C的特征峰，期間烯烴特征峰消失（不飽和烯烴累單體），這說明丙烯酸酯類單體通過自由基聚合形成聚丙烯酸酯共聚物。

對比PA與GO/PA的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)兩條紅外光譜出峰位置相同，說明少量的GO的加入對復合材料的紅外出峰不構(gòu)成影響。

2.2 掃描電鏡

圖a是GO的SEM圖，在圖a可以看出明顯的單層納米結(jié)構(gòu)和明顯褶皺，這是因為石墨烯的碳sp2雜化狀態(tài)變成sp3雜化狀態(tài)使得石墨烯原有的平面結(jié)構(gòu)被破壞，因此呈現(xiàn)出褶皺結(jié)構(gòu)。圖b和圖c分別是純PA斷面和GO/PA-0.75斷裂面的掃描電鏡，由圖b可以看出，膠膜斷裂面粗糙，褶皺連續(xù)，表現(xiàn)為典型韌性斷裂；在圖c可以看出，斷裂面出現(xiàn)了大量納米厚度的片層結(jié)構(gòu)，分布均勻，這說明氧化石墨烯在丙烯酸酯彈性乳液中分散均勻。

圖2 GO， PA和GO/PA-0.75斷裂面的掃描電鏡

3 結(jié)論

加入少量的氧化石墨烯，斷裂面出現(xiàn)大量納米厚度的片層結(jié)構(gòu)且分布均勻，說明氧化石墨烯在丙烯酸酯彈性乳液中分布均勻。

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作者簡介：

李菁熠，女（1989.5-），漢，陜西延安，講師，碩士研究生，主要從事高分子化學研究。endprint