氧化石墨烯—水性丙烯酸树脂弹性复合材料的制备及其性能研究

摘 要：本研究运用改良Hummers法来制备氧化石墨烯，并将其作为纳米增强材料与丙烯酸酯弹性乳液混合通过物理共混法来制备得到氧化石墨烯/水性丙烯酸树脂弹性复合材料（GO/PA）。通过傅里叶红外（FT-IR）对复合材料的结构进行表征，用扫描电镜（SEM）对复合材料的形貌进行观察。实验研究表明，在整个体系中加入少量的氧化石墨烯，复合胶膜的断裂面出现了大量均匀分散的纳米厚度片层结构，说明氧化石墨烯在丙烯酸酯弹性乳液中分布均匀。

关键词：丙烯酸酯弹性乳液；氧化石墨烯；力学性能

1 实验部分

1.1 实验原材料

低羟值丙烯酸酯弹性（PA）乳液，羟值：20mgKOH/g。氧化石墨烯（GO），自制；水性异氰酸酯固化剂（3100），异氰酸酯基团含量为17.4 wt%，科思创聚合物（中国）有限公司。

1.2 实验仪器

RGM-3030型微机控制电子万能试验机，深圳市瑞格尔仪器有限公司制造；TENSOR II型傅立叶红外光谱仪，布鲁克（北京）科技有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，郑州长城科工贸有限公司；电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；电子天平（型号：BSA224S-CW），赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；三颈烧瓶（500ml）；烧杯（250ml）；一次性吸管（3ml）；磁子；聚四氟乙烯模板。

1.3 复合材料的制备过程

电子天平准确称取一定量的氧化石墨烯（GO）粉末倒入烧杯，并加入定量的去离子水，然后放入超声机清洗机中直至氧化石墨烯完全分散（超声分散技术）后取出，加入一定量的PA乳液，加入磁子放入磁力搅拌器里搅拌至完全混合均匀停止（大约2.5h），再加入4.5g（固定值）的水性异氰酸酯固化剂（3100）继续搅拌30min后制得氧化石墨烯/丙烯酸酯复合乳液（GO/PA-x），当氧化石墨烯含量分别为0wt%，0.25wt%，0.5wt%，0.75wt%，1.0wt%时，复合乳液编号记为GO/PA-0，GO/PA-0.25， GO/PA-0.5，GO/PA-0.75，GO/PA-1。

电子天平准确称取复合乳液为20g倒入聚四氟乙烯模板上均匀分布，在室温中放置7天左右，等待自然风干，再放入真空干燥箱中控制60℃下烘干2h后取出，制得厚度为60±5μm的干燥乳胶膜并置入干燥器中保存待用。

1.4 复合材料的表征

红外光谱图：将试样取一小片放在仪器测试部位。测试不同体系中试样，仔细观察光谱图中特征峰记录测试数据，处理数据观察不同复合材料的峰位的变化。

扫描电镜图：使用液氮冷冻断裂法对复合材料胶膜进行冷冻断裂处理，用日本HITACHI公司S-4800型扫描电镜（SEM），认真观察氧化石墨烯（GO），纯丙烯酸酯（PA）以及GO/PA复合材料胶膜断裂面的微观形貌。

2 结果与分析

在整个氧化石墨烯/水性丙烯酸树脂弹性复合材料体系中，丙烯酸酯弹性乳液作为有机树脂基体，氧化石墨烯作为无机填料。其中两种物质的相容性（并存，亲和，协调，配伍）是影响整个复合材料获得良好性能的主要因素。

2.1 红外光谱分析

图1 红外光谱图

图1分别是氧化石墨烯（GO），丙烯酸酯乳液（PA）和GO/PA-0.75复合材料的红外光谱图，由图1可见，氧化石墨烯（GO） 出现了明显的羟基-OH 伸缩振动峰（3440.40cm-1），强烈的羰基C=O伸缩振动峰（1730cm-1-1634cm-1）以及C-O-C键 的伸缩振动峰（1114cm-1-1218cm-1）。PA在1730cm-1处出现了为酯羰基O-C=O伸缩振动吸收峰，1162cm-1和1245cm-1处出现了连续两个吸收强峰为酯基的碳氧单键C-O-C的特征峰，期间烯烃特征峰消失（不饱和烯烃累单体），这说明丙烯酸酯类单体通过自由基聚合形成聚丙烯酸酯共聚物。

对比PA与GO/PA的红外光谱，发现两条红外光谱出峰位置相同，说明少量的GO的加入对复合材料的红外出峰不构成影响。

2.2 扫描电镜

图a是GO的SEM图，在图a可以看出明显的单层纳米结构和明显褶皱，这是因为石墨烯的碳sp2杂化状态变成sp3杂化状态使得石墨烯原有的平面结构被破坏，因此呈现出褶皱结构。图b和图c分别是纯PA断面和GO/PA-0.75断裂面的扫描电镜，由图b可以看出，胶膜断裂面粗糙，褶皱连续，表现为典型韧性断裂；在图c可以看出，断裂面出现了大量纳米厚度的片层结构，分布均匀，这说明氧化石墨烯在丙烯酸酯弹性乳液中分散均匀。

图2 GO， PA和GO/PA-0.75断裂面的扫描电镜

3 结论

加入少量的氧化石墨烯，断裂面出现大量纳米厚度的片层结构且分布均匀，说明氧化石墨烯在丙烯酸酯弹性乳液中分布均匀。

参考文献：

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作者簡介：

李菁熠，女（1989.5-），汉，陕西延安，讲师，硕士研究生，主要从事高分子化学研究。endprint