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/氧化石墨烯復合材料結構和性能研究

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；力學性能測試結果表明，當氧化石墨烯含量僅為0.6 wt%時，殼聚糖基復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，而且具有片層結構和良好的熱穩(wěn)定性和導電性。用石墨烯來改善聚合物的性能具有較大的潛力[1-3]。Ruoff等用化學方法先后合成出石墨烯/聚合物導電納米復合材料[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）基復合材料（CS/GO-n）。通過X-衍射、力學性能測試和吸濕性能測試，探討GO的含量對CS基復合材料的結構和性能的影響。

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）由成都科龍化學試劑廠提供；硫酸，鹽酸購于重慶川東化學試劑廠；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任有限公司）；Sansi6500型微電子萬能力學實驗機（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復合材料的制備

流延法制備CS/GO-n復合材料：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復合材料編號

2 結果與討論

2.1 X-衍射分析

圖1為GO及CS/GO-n復合材料的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復合材料的XRD圖譜與純殼聚糖的衍射圖譜相似，且在復合材料中沒有出現(xiàn)GO的特征衍射峰?？赡苁怯捎诘偷奶砑恿浚瑫r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的添加量對復合材料XRD圖譜沒有多大影響。

圖1 GO粉末，PS/GO-n復合材料的X衍射圖

2.2 力學性能分析

圖2為CS/GO-n復合材料的力學性能隨GO含量增加的變化曲線。從圖2中可以看出，添加的GO的可有效改善復合材料的力學性能。隨著GO含量的增加，CS/GO復合材料的拉伸強度（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復合材料的力學性能隨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復合材料的吸濕值要低于CS基體的吸濕值。CS/GO復合材料的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與殼聚糖基質之間強的相互作用有效的抑制了水分子在復合材料中的擴散。

圖3 CS/GO-n復合材料的吸濕性能曲線

3 結論

采用流延法制備殼聚糖（CS）和氧化石墨烯（GO）的復合材料。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，從而有效改善復合材料的力學性能和降低復合材料的吸水性。實驗結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。