侯彥敏， 吳明華，2， 余德游， 鮑進躍

(1. 浙江理工大學 先進紡織與制備技術教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學生態(tài)染整技術教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018； 3. 浙江浪莎內衣有限公司， 浙江 義烏 322000)

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功能石墨烯改性水性聚氨酯及其性能

侯彥敏1， 吳明華1，2， 余德游1， 鮑進躍3

(1. 浙江理工大學 先進紡織與制備技術教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學生態(tài)染整技術教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018； 3. 浙江浪莎內衣有限公司， 浙江 義烏 322000)

以石墨為原料，經(jīng)氧化、異佛爾酮二異氰酸酯改性和水合肼還原，制備功能石墨烯(FG)，并將其與水性聚氨酯(WPU)乳液混合，制備FG/WPU復合涂層膠，實現(xiàn)FG改性WPU的目的。采用紅外、有機元素分析和XRD等測試分析表征FG的結構，考察FG的分散性，研究FG用量對膠膜的導電性能、疏水性和力學性能的影響，測定膠膜的熱穩(wěn)定性。結果表明：FG在二甲基酰胺(DMF)和WPU中具有良好的分散性；隨著FG用量的增加，膠膜的表面電阻率逐漸降低，水接觸角逐漸增加，拉伸強度增加，斷裂伸長率降低。經(jīng)FG改性后，WPU的熱穩(wěn)定性得到提高。研究表明，F(xiàn)G改性WPU可提高膠膜的導電性、疏水性，使其兼具良好性能。

功能石墨烯； 水性聚氨酯； 導電性； 疏水性

水性聚氨酯(WPU)是以水為分散介質的聚氨酯乳液，具有安全環(huán)保、機械性能好、易改性等優(yōu)點，廣泛應用于皮革、織物、醫(yī)學紡織品等領域[1-3]。水性聚氨酯作為織物涂層整理劑，能夠賦予織物良好的彈性、手感和表面柔滑等性能，但是水性聚氨酯仍存在一些問題，如導電性、耐熱性和力學性差等[4]，因而限制了其在功能涂層整理上進一步應用。目前，常見的抗靜電聚氨酯涂層膠主要是通過將聚氨酯與具有親水性的抗靜電功能成分進行共聚或接枝[5-7]方法制備而成，涂層織物導電性得到改善，但其疏水性受到不同程度的損失。如何制備出疏水、抗靜電涂層膠，以適應涂層織物抗靜電和疏水要求是近期研究的熱點。

石墨烯是 Novoselov 和 Andre Geim發(fā)現(xiàn)的新型碳材料，具有優(yōu)異的物理化學性能，如超高的比表面積、優(yōu)越的熱傳導性能、力學性能以及極強的導電性[8-9]和拒水性[10]，有望成為聚合物基碳納米復合材料的優(yōu)質填料，賦予聚合物基復合材料優(yōu)異的性能，拓展其應用領域。以石墨烯為填料與WPU復合，不僅賦予復合材料優(yōu)異的力學性能和熱穩(wěn)定性，而且還可使其具有良好的導電性和拒水性。但是由于石墨烯層間存在較強的范德華力，導致石墨烯在普通有機溶劑中分散性差，進而影響石墨烯在復合物基材中的相容性和分散性，從而影響復合膠膜的性能。因此，石墨烯的功能改性，以增強其與聚合物的相容性，減少其自身團聚已成為石墨烯改性聚氨酯成功與否的關鍵所在。

為此，本文首先采用異氰酸酯改性氧化石墨，并經(jīng)水合肼還原后制成異氰酸酯改性石墨烯，簡稱功能石墨烯(FG)，改善石墨烯在溶劑N,N-(DMF)和水性聚氨酯基體中的分散性，再將FG與WPU復合，制備FG改性WPU涂層膠，重點研究FG的分散性和FG改性對膠膜導電性、疏水性、力學性能及熱穩(wěn)定性等性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

化學試劑：天然石墨粉，純度99.9%，阿拉丁產(chǎn)品；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析純，杭州高晶精細化工有限公司；濃硫酸(H2SO4O，98%)、濃鹽酸、高錳酸鉀(KMnO4)，分析純，浙江三鷹化學試劑有限公司；五氧化二磷(P2O5)，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；過硫酸銨((NH4)2S2O8)、雙氧水(H2O2)、水合肼(80%)、氨水，分析純，天津市永大化學試劑有限公司；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、2,2-雙羥甲基丙酸(DMPA)、三羥甲基丙烷(TMP)，分析純，阿拉丁試劑；聚醚210(平均相對分子質量為1 000)，工業(yè)級，南京金陵化工有限公司；二丁基錫二月硅酸(DBTDL)、三乙胺，分析純，上海國藥化學試劑有限公司。

實驗儀器：JY92-Ⅱ超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司；Avanti J-26XP離心機，美國Beckman公司； DGG-9053A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；RE52CS-1旋轉蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；FD-1D-80冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；VERTEX 70紅外光譜儀，瑞士Bruker公司；Vario micro cube有機元素分析儀，德國Elementar公司； X射線衍射儀，瑞士Thermo ARL公司；LFY織物比表面電阻測試儀，山東省紡織科學研究院儀器研究所；DSA100接觸角測定儀，德國Kruss公司； SH2-3電子萬能材料試驗機，美國Instron公司； PYRIS 1型熱重分析儀，美國柏金-埃爾默公司。

1.2 氧化石墨及功能石墨烯的制備

1.2.1 氧化石墨

取3 g石墨粉加入到15 mL濃H2SO4中，加入2.5 g (NH4)2S2O8和2.5 g P2O5，在80 ℃條件下恒溫攪拌反應4.5 h。反應結束后加水攪拌稀釋，靜置12 h后抽濾，取濾餅于45 ℃烘箱中干燥24 h。再將干燥后的濾餅加入到120 mL濃H2SO4中，攪拌均勻后加入15 g KMnO4，35 ℃下反應4 h。反應結束后，緩慢滴加150 mL的水稀釋，稀釋攪拌15 min后加入150 mL水和3 mL H2O2，攪拌得到亮黃色分散液。最后將得到的產(chǎn)物離心并用水反復離心洗滌至接近中性，并置于冷凍干燥機中進行干燥，得到深棕色的氧化石墨[11]。

1.2.2 功能石墨烯

取1 g 氧化石墨置于150 mL DMF中，超聲分散得氧化石墨烯分散液，將5 g IPDI加入到混合分散液中，通N2保護，80 ℃條件下攪拌反應24 h。用氨水調節(jié)分散液pH值至9～10之間，升溫至95 ℃，加入水合肼還原100 min。反應結束后用DMF反復離心洗滌，直到除去未反應的多余的IPDI和水合肼，得產(chǎn)物功能石墨烯(FG)，干燥待測[12]。

1.3 水性聚氨酯的制備

將15 g聚醚210加入到四口瓶中，通入氮氣，緩慢滴入8.34 g IPDI，在80 ℃下反應2 h。加入1.17 g DMPA和1～2滴催化劑DBTDL，升溫至85 ℃，反應2 h。加入0.46 g TMP，并用丙酮降黏， 60 ℃反應1 h。降溫至室溫，加入三乙胺中和15 min。再加入60 g去離子水，用高速攪拌器乳化30 min，即制得固含量為30%左右的水性聚氨酯WPU乳液[13]。

1.4 功能石墨烯/水性聚氨酯復合材料制備

分別取相對WPU質量為0.1%、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、2.0%的FG加入到WPU中，超聲共混得FG/WPU混合分散液。將混合分散液在聚四氟乙烯模板上成膜，室溫下風干成膜，50 ℃干燥24 h，90 ℃下烘3 h，140 ℃下焙烘5 min，冷卻至室溫，待測。

1.5 性能表征與測試

紅外光譜(FT-IR)分析：將樣品與KBr研磨后壓片，測定物質的紅外吸收峰，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

有機元素分析：采用Vario micro cube有機元素分析儀，對石墨、氧化石墨、FG進行元素分析。

X射線衍射光譜(XRD)測定：采用X射線衍射光譜儀對試樣進行測試，測試條件為：入射光源CuKɑ射線(波長1.540 5 ?)，測試電壓40 kV，測試電流100 MA，掃描速率8(°)/min，掃描范圍5°～70°。

膠膜表面電阻率測定：采用LFY織物比表面電阻測試儀，按照GB/T 1410—2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》測定膠膜的表面電阻率。

膠膜水接觸角測試：采用DSA100型接觸角測試儀，測定膠膜水接觸角，每個樣品測5次，取平均值。

膠膜力學性能測試：用模具將膠膜制成10 mm×40 mm的樣品，測其厚度并取平均值，在電子萬能材料試驗機上進行測試(拉伸速率為100 mm/min，溫度為22.7 ℃，相對濕度為50%)，記錄相關數(shù)據(jù)，然后按公式計算。

熱重(TG)分析：采用PYRIS 1型 熱重分析儀，測定膠膜的熱穩(wěn)定性。測試環(huán)境為N2氣氛，升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為室溫至800 ℃。

2 結果與討論

2.1 功能石墨烯的結構表征

2.1.1 紅外光譜分析

2.1.2 有機元素分析

表1示出石墨、氧化石墨、FG的元素分析結果。由表可看出，石墨的碳含量為100%，石墨經(jīng)氧化后成氧化石墨，其碳含量和氧含量分別為40.47%和55.198%，表明氧化石墨含有豐富的含氧官能團。氧化石墨經(jīng)超聲分散、IPDI改性和水合肼還原得到FG，其碳含量和氧含量分別為58.44%和21.717%， 同時氮含量為11.34%。其氧含量降低的原因，一方面是由于異氰酸酯基與氧化石墨烯上的羥基和羧基發(fā)生反應，另一方面是由于經(jīng)水合肼還原后，氧化石墨烯上的部分氧脫除；氮含量提高主要是因為石墨烯接枝了異氰酸酯基。碳、氮、氧含量的變化進一步證明了FG制備達到預期目的，有機元素分析結果與紅外譜圖分析結果相一致。

表1 石墨、氧化石墨、FG的元素含量

2.1.3 XRD測試

圖2示出石墨、氧化石墨、FG的XRD圖。由圖可知，石墨在2θ為26.22°處有1個極強的衍射峰，該峰對應的是石墨(002)的特征峰。該峰表明石墨中存在高度規(guī)整的晶體結構。由Bragg方程式：2dsinθ=nλ可知，由n=1，λ=1.540 5 ?，可算出石墨的層間距是0.339 nm，表明石墨是單層碳原子緊密堆積而成。經(jīng)過氧化后氧化石墨在26.22°處的衍射峰消失，在9.06°處出現(xiàn)了新峰，該峰為氧化石墨(002)的特征峰，計算得出氧化石墨的層間距為0.975 nm，相對石墨大。這是因為石墨被強氧化劑氧化后在石墨片層邊緣以及片內生成—COOH、—OH等含氧官能團，這些官能團的存在使得氧化石墨的層間距變大所致[14]。當氧化石墨經(jīng)分散、IPDI改性和水合肼還原成功能石墨烯后，其在23.02°處的峰消失，在15.37°處出現(xiàn)1個較弱的寬峰，表明IPDI的插層作用破壞了功能石墨烯片層之間的堆砌作用，有助于其在有機溶劑中的分散。

圖2 石墨、氧化石墨、 FG的XRD圖Fig.2 XRD patterns of graphite, graphite oxide and FG

2.2 功能石墨烯的分散性

2.2.1 在溶劑中的分散性

將石墨烯、FG超聲分散在DMF中，靜置2個月后，觀察石墨烯和FG的分散液分散情況，分散液外觀如圖3所示。從圖可看出，石墨烯/DMF分散液已產(chǎn)生沉淀、分層，而FG/DMF分散液仍然穩(wěn)定、均勻分散。這表明石墨烯經(jīng)功能化改性后能夠穩(wěn)定分散在DMF有機溶劑中，具有良好的分散性。

注：a為石墨烯； b為FG。圖3 DMF分散液外觀圖Fig.3 Images of dispersion of dispersed in DMF

2.2.2 在膠膜中的分散性

圖4示出FG改性WPU膠膜斷面掃描電鏡圖。從圖可看出：FG與聚氨酯基質界面相容性好，無裂痕出現(xiàn)；FG均勻地分布在水性聚氨酯基質中，未見明顯的顆粒團聚現(xiàn)象，表明FG與聚氨酯基質具有良好的相容性，能均勻地分散在WPU基體中。

圖4 膠膜斷面SEM圖(×5 000)Fig.4 Cross-sectional SEM images of flim (×5 000). (a) WPU； (b) WPU composite with 0.5% FG

2.3 功能石墨烯用量對膠膜性能的影響

2.3.1 對膠膜表面電阻率影響

表2示出不同F(xiàn)G用量對膠膜表面電阻率的影響。由表可知：隨著FG的增加，膠膜的表面電阻率逐漸下降；當FG用量為0.50%時，膠膜表面電阻率達到3.03×109Ω，具有良好的抗靜電效果；當FG用量為1.00%時，膠膜表面電阻率達到8.53×107Ω，具有優(yōu)異的抗靜電效果[15]。相對未改性膠膜，F(xiàn)G改性后可較為明顯地提高膠膜的導電性能。

表2 FG用量對膠膜表面電阻率的影響

2.3.2 對膠膜水接觸角的影響

圖5示出不同F(xiàn)G用量對膠膜水接觸角的影響。由圖可知，隨著FG用量的增加，膠膜的接觸角逐漸增大。當FG用量為0.5%時，膠膜接觸角為90.49°，相對未改性膠膜，膠膜接觸角提高了10.79°，表明當FG含量為0.5%時，改性膠膜具有一定的疏水性；當FG用量為1.0%時，膠膜接觸角為92.1°，表明改性膠膜已具有較好的疏水性。結果表明，F(xiàn)G改性WPU，可以明顯提高膠膜的疏水性。這主要因為石墨烯是超疏水的，所以加入FG后，導致膠膜疏水性變強。

圖5 FG用量對膠膜水接觸角的影響Fig.5 Influence of dosages of FG on water contact angle of film

2.3.3 對膠膜力學性能影響

表3示出FG用量對制備的膠膜力學性能的影響。由表可知，隨著FG用量的增加，改性膠膜的拉伸強度逐漸增強，斷裂伸長率逐漸降低，斷裂功降低。這是因為，F(xiàn)G上的異氰酸酯基與WPU上的羥基反應，且FG分子上殘留的羥基通過氫鍵與WPU相互作用，使得FG與WPU交聯(lián)程度增加，從而使得其拉伸強度增大。但隨著FG用量的增加，與WPU交聯(lián)程度的增加，易產(chǎn)生應力集中，膠膜原有的彈性降低，斷裂伸長率降低，斷裂功下降[16]。

表3 FG用量對膠膜力學性能的影響

2.4 功能石墨烯對膠膜熱穩(wěn)定性影響

圖6示出加入0.5%FG與WPU的復合膠膜的熱重分析圖。由圖可知：純WPU膠膜的熱分解溫度是275.1 ℃；添加0.5%FG后，復合膠膜熱分解溫度為308.1 ℃。WPU達到碳化時的溫度為375 ℃，加入FG后，復合膠膜的碳化溫度達到410 ℃。加入FG后，復合膠膜比純WPU熱分解溫度提高了33 ℃，碳化溫度提高了35 ℃。表明添加FG后，復合膠膜的熱穩(wěn)定性提高。這主要是因為FG能夠有效延遲氧氣和降解產(chǎn)物的揮發(fā)性，同時也可阻礙外界熱量對聚氨酯內部的滲入，延緩材料降解[17]。

圖6 FG改性WPU的TG曲線Fig.6 Thermo gravimetric curve of WPU modified with FG

3 結 論

1)采用改進的Hummers法制備了氧化石墨烯，并用IPDI改性，成功制備了功能石墨烯FG。FG在DMF和WPU基質中具有良好的穩(wěn)定分散性。

2)加入適量FG能夠顯著提高WPU的導電性和疏水性，使膠膜兼具良好的抗靜電性能和疏水性。

3)FG的加入，在一定程度上提高了復合膠膜的拉伸強度和熱穩(wěn)定性。

FZXB

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Preparation and properties of functionalized graphene modified waterborne polyurethane

HOU Yanmin1， WU Minghua1，2， YU Deyou1， BAO Jinyue3

(1.KeyLaboratoryofAdvancedTextileMaterialsandManufacturingTechnology,MinistryofEducation,Hangzhou,Zhejiang310018,China； 2.EngineeringResearchCenterforEco-Dyeing&FinishingofTextiles,MinistryofEducation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China； 3.LangshaGroupCo.,Ltd.,Yiwu,Zhejiang322000,China)

The functionalized graphene (FG) was prepared from graphite by oxidizing, modifying with isophorone diisocyanate (IPDI) and reducing with hydrazine hydrate. The FG was mixed with waterborne polyurethane (WPU) to prepare FG/WPU composite coating adhesive to modify waterborne polyurethane. The structure of the FG was characterized by FT-IR, organic elemental analysis and XRD, the dispersibility of the FG was investigated, the influences of the dosage of FG on electrical conductivity, water resistance and mechanical properties of the film were studied, and thermal stability of the film was measured. The results showed that FG could be dispersed well in dimethyl formamide and WPU. With the increase of the dosage of FG, the electrical resistivity of the film decreased, the water contact angle of the film increased, the tensile strength of the film increased, and elongation at break of the film decreased. The thermal stability of WPU was improved after being modified by FG. The study results showed that the modification WPU with FG can improve the electrical conductivity and water resistance of the film, thus the film had good performance.

functionalized graphene; waterborne polyurethane; conductivity; hydrophobicity

10.13475/j.fzxb.20140903406

2014-09-23

2015-04-03

侯彥敏(1988—)，女，碩士生。主要從事紡織化學品合成及其應用研究。吳明華，通信作者，E-mail:wmh@zstu.edu.cn。

TQ 323.8

A