氧化剂用量对氧化石墨烯合成的影响_闫文飞.pdf

氧化剂用量对氧化石墨烯合成的影响闫文飞，王汉杰，丁 杨，张炫辉，尹岳涛，王文琪，石传晋（中国皮革和制鞋工业研究院（晋江）有限公司，福建 晋江）摘 要：研究了改进 法中氧化剂用量对所合成的氧化石墨烯结构和亲水性的影响，通过控制氧化剂用量制备了两种氧化石墨烯，采用原子力显微镜、红外光谱、拉曼光谱、射线衍射、水接触角对氧化石墨烯进行了表征分析，研究了不同氧化剂用量下的氧化石墨烯的微观结构、氧化程度和亲水性。试验结果表明随着氧化剂用量增加，氧化石墨烯的厚度和横向尺寸变小，层间距不变，氧化程度增加，亲水性降低。关 键 词：氧化石墨烯；氧化剂用量；横向尺寸；层间距；氧化程度中图分类号 文献标志码：.，（），）：.，.，.，：；收稿日期：；修订日期：通信作者：王汉杰（），男，硕士，.，主要研究方向为聚合物基复合材料。引 言石墨烯是一种由碳原子组成的单层片状结构材料，碳原子密集填充在蜂窝状晶格中，形成 杂化网络，这种结构带给石墨烯极高的力学强度、高导电性、导热性和极大的比表面积。其单层厚度仅为.，理论上的比表面积能够达到 ，其强度能够达到 ，在室温下最高的电子迁移率为.，电阻率仅为；其热导率约为 。这些优导性能使得石墨烯在吸附、能源、材料、电子等相关领域都有非常好的应用前景，使其能够作为一种添加剂广泛应用于高强度复合材料中；弥补大部分聚合物材料的力学强度低、耐热性和导热性能差且不导电的缺点。但是石墨烯高昂的制备成本和其在聚合物中不良的分散制约了其在聚合物复合材料的应用。因此制备方便和具有适当官能团的石墨烯片如通过 法等方法对石墨进行热氧化得到石墨烯的衍生物氧化石墨烯（，）吸第 卷 第 期 年 月 中 国 皮 革 .引了研究人员的兴趣。氧化石墨烯的氧化过程是强烈并且高度局域化，氧化区域的面积高达 。氧化过程让石墨烯上的碳原子从 杂化转变为 杂化，在基底碳平面上获得高密度的环氧基和羟基基团，在碳平面的边缘获得羧基基团，这些基团赋予 良好的水分散性和可加工性。而在鞋材等发泡材料中，石墨烯及其衍生物氧化石墨烯被广泛用于改性聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯等发泡材料中。令人关注的是，石墨烯带给这些发泡材料力学性能如拉伸性能和冲击强度、热性能如熔融温度和玻璃化转变温度以及结晶度的提升，并且石墨烯具有较高的异相成核效率，能够提高发泡的效率，其片状结构带来的气体阻隔性能限制了气核的生长，使得发泡基体的泡孔尺寸小而多且均一。这些优导改变的前置条件便是石墨烯能在发泡聚合物基体中均匀分散，氧化石墨烯的结构是影响其在聚合物中分散程度的重要因素。本文研究了改进 法中氧化剂用量对所合成的氧化石墨烯结构和亲水性的影响，通过控制氧化剂用量制备了两种氧化石墨烯，采用原子力显微镜、红外光谱、拉曼光谱、射线衍射、水接触角对氧化石墨烯进行了表征分析，研究了不同氧化剂用量下的氧化石墨烯的微观结构、氧化程度和亲水性。试验内容.原料石墨粉（目，）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；浓硫酸（）、硝酸钠（）、高锰酸钾（）、过氧化氢（）、盐酸均购自国药集团化学试剂有限公司。.试验方法将 浓硫酸加到置于冰浴、装有 石墨和.硝酸钠的 烧杯中；加入 高锰酸钾反应 ；升温至 反应 ；加入 水后升温至 反应.；加入 水后缓慢滴加的过氧化氢直至混合物的颜色变成亮黄色且无气泡产生；将混合物装入在纤维素膜中透析至 ，透析完成后将混合物在离心机中以 离心 ，选取上层红色清液为 的水分散液，将其命名为。将上述试验中的高锰酸钾的用量提高 倍制备。.表征配置浓度为.的 分散液，在硅片上旋涂干燥后，用原子力显微镜（，德国 公司）观察 的形貌。以溴化钾压片法制备的 样品，用傅立叶变换红外光谱仪（，赛默飞世尔科技有限公司）测试，扫描区间为 。用激光共聚焦拉曼光谱仪（，法国 公司）以 的激发波长和 的扫描范围测试 固体样品。用粉末 射线衍射仪（，荷兰帕纳科 射线分析仪器公司）以 的扫描范围和 （）的扫描速度测试。将 水分散液涂抹在载玻片上干燥成膜，用接触角测量仪（，德国 公司）测定水在膜上的接触角。结果与讨论.图 和 的 由图 可知 和 的衍射峰均出现在.。根据布拉格方程 （.，）计算可得 和 的层间距 均为.，大于石墨的层间距.，说明了氧化石墨烯成功制备，羟基、环氧基和羧基使层间距变大。氧化剂用量的增加不会影响 的晶面结构。.原子力显微镜由图 可 知 纳 米 片 的 最 大 厚 度 约 为.，横向尺寸约为.。纳米片的最大皮 革中 国 皮 革第 卷图 和 的原子力显微镜照片厚度约为.，横向尺寸约为.。和 层间距均为.，单层石墨烯的厚度为.，计算得 最大碳层为（.）（.）层。最大碳层为（.）（.）层。因此，氧化剂用量增加导致氧化石墨烯被剥离得更彻底，尺寸和厚度均减少。.红外光谱由图 中可知，的红外谱图有 （的伸缩振动峰）、（的伸缩振动峰）、（的伸缩振动峰）和 （的伸缩振动峰）等特征峰。的红外谱图相对于 多出现 （的伸缩振动峰）。和 的红外谱图说明 和 的成功制备。.拉曼光谱由图 可知，和 都存在 的碳原子的 峰和 的 碳原子的 峰。二者的强度比（）代表了 和 中 碳图 和 的红外光谱图原子与 碳原子的比例，侧面反映其氧化程度。的（）.，说明 上存在的大量含氧官能团使其呈现无序、不规整的状态，的 （）.，说明 拥有更大的氧化程度，因此，氧化剂的增加提高了 的氧化程度。.水接触角由图 可知 的水接触角为.，具有强第 期闫文飞，等 氧化剂用量对氧化石墨烯合成的影响皮 革图 和 的拉曼光谱亲水性，的水接触角为.，说明虽然 的氧化程度提高了，表面上接枝的亲水基团数目增多，但是其亲水性反而下降了，其原因是氧化程度增加后，相对于 的厚度下降，原本在层间的疏水基面变为表面能够与水接触，疏水部分增加导致亲水性下降。因此，氧化剂增加降低了 的亲水性。图 和 的水接触角 结 论本文研究了改进 法中氧化剂用量对所合成的氧化石墨烯结构和亲水性的影响。在氧化剂用量增加后，氧化石墨烯的厚度由.减少至.和横向尺寸由.减少至.；晶面结构和层间距不变；（）由.增加至.，氧化程度增加；水接触角由.增加至.，亲水性降低。参考文献：，（）：，：吴艳，石墨烯纳米复合材料的合成及其吸附与光催化性能研究 广州：华南理工大学，（）：王爽 氧化石墨烯在聚苯乙烯中的分散及其复合材料的发泡行为研究 杭州：浙江大学，潘书刚，沈昊，张宁 石墨烯 淀粉发泡复合材料的力学性能和结晶性能的研究 中国胶粘剂，（）：闫文静，马卫华 聚丙烯 氧化石墨烯共混体系的结晶行为与发泡性能 塑料，（）：翁成龙，陈杨，宋林，等 聚氨酯 石墨烯复合纤维的制备及其发泡性能研究 合成纤维工业，（）：闫蕊，曾繁超，王凯，等 石墨烯 聚氨酯复合材料的制备及微孔发泡行为研究 山东化工，（）：杨文杰，何佳文，朱寒宾，等 石墨烯增强聚乳酸力学性能及其发泡行为研究 中国塑料，（）：程平 石墨烯 微发泡复合材料的制备及其性能研究 武汉：武汉理工大学，：，：皮 革中 国 皮 革第 卷