改性氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料的制备及性能研究(2)
3.2 PGO/SBR复合材料的性能 14
3.2.1 XRD表征 14
3.2.2 硫化性能 14
3.2.3 SEM表征 15
3.2.4 交联密度 16
3.2.5 物理机械性能 17
3.2.6 撕裂断面形态 18
3.2.7 热稳定性 19
3.2.8 导热性能 20
3.2.9 耐溶剂性 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 引言
氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是一种二文材料，也是化学法制备石墨烯（Graphene oxide，GE）的前驱体[1]，具有优异的力学性能（断裂强度为63GPa[2]，硬度为40GPa[3]，拉伸强度高达125MPa[4]）和良好的阻隔性能[5]，可以作为填料用于提升复合材料的机械性能、导电性能、阻隔性能和导热性能等。比起GE，GO各项性能虽然有所下降，但是GO制备简单、价格低廉、原料易得，而且表面存在大量的含氧基团，因此在水溶液中具有良好的分散性能。近年来GO替代GE在开发高性能、多功能橡胶纳米复合材料方面成为研究热点[6]。但是在橡胶基体中GO易于发生堆叠，影响其补强效果，因此通常对GO进行表面改性。
图1.1 氧化石墨烯的结构简图
1.2 氧化石墨烯的制备及改性
1.2.1 氧化石墨烯的制备
用强酸等氧化剂氧化普通石墨，然后通过进一步的加热或者超声，将氧化石墨的片层结构剥离，就可以获得氧化石墨烯[7]。目前，制备氧化石墨烯的方法有Brodie法[8]，Staudenmaier法[9]和Hummers法[10]等。其中，Hummers法被认为是最佳也是适合研究采取的方法，原因在于相比前两种方法，它既不会释放有毒的气体也不会产生高反应活性的物质，相对来说毒性最小[11]。
1.2.2 氧化石墨烯的改性
GO很难在有机溶剂中分散，且在后期制备复合材料的过程中容易团聚，这不利于提高复合材料的各项性能[12]。为了使GO均匀地分散在橡胶基体中，提高GO与橡胶基体界面间的相互作用，有必要改性GO[13]。GO的改性主要利用羧基反应、环氧基反应、阴阳离子共轭结合，范德华力，π-π相互作用力，氢键相互作用力和静电相互作用力等。还有的通过引发剂如烷基锂在GO表面生长出高分子链段。
Ma等[14]用硅烷偶联剂（KH-550）改性GO，用溶液浇铸的方法制备了硅橡胶复合材料。结果表明相比于未填充的复合材料，改性GO仅填充1份时，复合材料的初始分解温度就提高了61℃。Xiong等[15]研究了用离子液改性GO，并探索了改性GO对溴化丁基橡胶（BIIR）导热性能的提升效果。研究发现相比于未填充的复合材料，改性GO填充量为4wt%时，BIIR橡胶复合材料的导热性能大大提高，导热系数提高了30%。Yousefi等人[16]制备GO后采用异氰酸酯进行处理，并与聚氨酯进行溶液混合，制备的复合材料具有显著提升的力学和导电性能。Lian等[17]选用十吹冰烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为改性剂，通过乳液共混法将该水溶液与丁基橡胶胶乳共凝，制备了丁基橡胶复合材料。结果表明，改性GO的填充量为10wt%时，丁基橡胶复合材料的拉伸模量相比于与未填充时提高了16倍。
图1.2 石墨的表面氧化
1.3 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）改性碳纳米材料
PVP作为一种非离子型、无毒、两亲性的高分子材料。它不仅具有良好的水溶性，同时对各种生化分子具有较好的相容性。最近，PVP也被发现是一种碳纳米材料改性剂，可以将碳纳米管和石墨烯等稳定分散于水溶液中[18]。