萘基反应型石墨烯分散剂及其在增强聚乙烯醇复合薄膜中的应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240185

摘要/Abstract

摘要：

石墨烯（GR）具有诸多优异的物理化学性质，是制备复合材料的一种理想纳米填料。但GR易团聚、难分散，导致其难以与其他基体材料均匀复合。为解决这一问题，本文以1，5-二氨基萘和3-缩水甘油丙氧基三甲氧基硅烷为原料，合成了一种具有高反应活性的新型分散剂。在分散剂与GR质量比为1∶1时，GR在水中的最高分散质量浓度可达15 mg/mL，且在室温下可以稳定存在6个月以上。分散剂分子含有硅羟基，具有高度的反应活性，可以使GR自交联成膜，得到均匀的GR涂层。将所得GR分散液进一步与聚乙烯醇（PVA）复合，得到了PVA-GR复合薄膜。与空白PVA膜相比，其力学性能显著提高。当GR质量分数为2%时，复合膜的弹性模量增加高达52.8%，所制备的复合膜有望应用于高性能复合材料领域。

关键词: 石墨烯, 分散剂, 自交联, 聚乙烯醇, 复合材料

Abstract:

Graphene has many excellent physical and chemical properties， and it is an ideal nanofiller for the preparation of composite materials. However， graphene is easy to agglomerate and difficult to be dispersed， making it difficult to uniformly hybrid with other matrix materials. In order to solve this problem， a new dispersant with high reactivity using 1，5-diaminonaphthalene and 3-glycidylpropoxytrimethoxysilane as raw materials was prepared. When the mass ratio of dispersant to graphene is 1∶1， the maximum mass concentration of graphene in water can reach 15 mg/mL， and it can exist stably at room temperature for more than 6 months. The dispersant molecule contains multi silanol groups， which are highly reactive and can self-cross-link to form uniform graphene coating. The obtained graphene dispersion was further blended with polyvinyl alcohol （PVA） to obtain a PVA-graphene composite film （PVA-GR）. Compared with blank PVA film， its mechanical properties are significantly improved. When the graphene mass fraction is 2%， the elastic modulus of the composite film increases by up to 52.8%. The prepared composite film is expected to be used in the field of high-performance composite materials.

Key words: Graphene, Dispersant, Self-cross-linking, Polyvinyl alcohol, Composites

中图分类号:

O647

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图/表 6

图1 分散剂HSiOND的合成路线

Fig.1 Synthetic route of the dispersant HSiOND

图2 分散剂前驱体MSiOND和反应物GPTMS的1H NMR谱图

Fig.2 1H NMR spectra of the precursor MSiOND and the reactant GPTMS

图3 （A） MSiOND与NDA和GPTMS的FT-IR谱图；（B） HSiOND水溶液的UV吸收光谱图及相应的标准曲线

Fig.3 （A） FT-IR spectra of MSiOND， NDA and GPTMS；（B） UV absorption spectra of HSiOND and the corresponding standard curve

图4 （A）无分散剂与（B）有分散剂存在时GR的分散情况，（C）激光笔照射稀释后分散液的丁达尔现象；（D）稀释后GR分散液的粒径分布与（E）ζ电位；（F）无分散剂与（G）有分散剂时GR的SEM图；（H、I） GR分散液自交联形成的图案及其浸泡在水中的情况

Fig.4 Photograph of graphene dispersion （A） with and （B） without dispersant，（C） Tyndall phenomenon of diluted dispersion irradiated by laser；（D） Particle size distribution， and （E） ζ potential value of the diluted graphene dispersion； SEM images of graphene （F） without and （G） with dispersant；（H） Graphene pattern formed by self-cross-linking of GR disperision and its immersion in water

图5 （A）温度对PVA成膜性能的影响；（B）不同GR含量的PVA-GR复合薄膜；（C）不同PVA复合膜的应力-应变曲线图

Fig.5 （A） Influence of temperature on the formation of PVA film；（B） Composite films with different graphene content；（C） Stress-strain curves of different PVA-GR films

图6 （A）纯PVA、（B） PVA-HSiOND-2%和（C） PVA-GR-2%薄膜在液氮中脆断后的SEM图；（D） PVA-GR-2%复合膜拉伸断裂后的SEM图

Fig.6 SEM images of （A） pure PVA，（B） PVA-HSiOND-2% and （C） PVA-GR-2% composite films brittle broken in liquid nitrogen；（D） SEM image of PVA-GR-2% broken by stress

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