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氧化石墨烯使橡胶更坚固

2017-06-12 15:15:38
作者:本网整理
来源:网络

天然橡胶为粘性液体,但添加交联剂和填料颗粒可以生产出固体弹性材料。然而,这个过程是耗费时间和精力的。 现在来自四川和哈佛大学的研究人员发现,石墨烯氧化物(GO)可以在一个简单的步骤中交联和强化橡胶。

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    GO交联机理示意图,  (a)产生两种类型的自由基,其中一种自由基扩散离开GO,导致橡胶基质的交联,而另一种则定位在GO上,导致GO和橡胶之间的交联 (b)除了由自由基(绿点)引起的化学交联之外,还存在由聚合物吸收到GO上而产生的物理交联(红色圆圈)。

 

    天然橡胶为粘性液体,但添加交联剂和填料颗粒可以生产出固体弹性材料。然而,这个过程是耗费时间和精力的。 现在来自四川和哈佛大学的研究人员发现,石墨烯氧化物(GO)可以在一个简单的步骤中交联和强化橡胶[兴等人,复合材料科学&技术 144(2017)223]。

 

    四川大学金荣荣解释说:“交联和加固是提高橡胶机械性能的两个最重要的策略。”目前橡胶工业使用低效,耗能,甚至污染环境的复杂交联配方和增强纳米颗粒。

 

    常规填料如炭黑和二氧化硅是惰性的,因此不能发挥任何交联作用。 相反,提供交联的功能性纳米粒子往往特定于某些聚合物。相比之下,橡胶通常通过自由基反应进行交联。一种可以提供增强和产生自由基以诱导交联的添加剂对于橡胶工业将是非常有用的。

 

    吴和他的同事认为,只有1纳米厚和1微米宽的GO薄片可以同时交联和增强橡胶。

 

    我们使用氧化石墨烯在高温下产生自由基来交联橡胶,同时因为它具有高的机械性能和大表面积,所以用来增强橡胶。

 

    研究人员说,这个过程非常简单,绿色,节能。 将GO水溶液与凝胶化并干燥的橡胶胶乳混合。然后将混合物热压成复合材料 - 不需要有机溶剂或机械混合装置。

 

    研究人员的研究结果表明,加热产生OH和COOH自由基都扩散到橡胶基质中,并聚集在GO /橡胶界面。 除了产生自由基,其通过化学交联橡胶,GO也与橡胶发生物理上的相互作用。物理界面相互作用不是永久性的,而是在高温下更快的解离 -以使橡胶松弛。

 

    在他们的实验中,科学家测试了两种橡胶材料:由聚异戊二烯组成的天然橡胶和合成塑料聚氨酯。对于这些,他们添加了不同种类,数量和大小的石墨烯。 在大多数情况下,他们观察到所得到的复合材料比不含石墨烯的相同材料能够更大程度地被拉伸并且在破裂之前能承受更大的力。事实上,仅添加0.1%的石墨烯就能使橡胶增强50%。

 

    曼彻斯特的纳米功能材料集团领导者Vijayaraghavan说:“复合材料包含两部分,一种柔软轻盈的基体和一种强力的填料,总而言之,它们既轻又强。”,“这是运动车中使用的碳纤维复合材料或用于护甲的凯夫拉尔复合材料的原理。在这种情况下,我们用石墨烯制成了一种柔软而有弹性但脆弱的橡胶复合材料,所得材料都是更强大和更柔软。”

 

    结果是GO /橡胶复合材料具有的拉伸强度是常规交联橡胶的四倍,并且在断裂时具有显着较大的拉伸应变。 研究人员认为,通过微调GO分数和热压条件可以进一步提高机械性能。

 

    吴先生说:“我们只研究了GO在一种橡胶(苯乙烯 - 丁二烯)中的交联和增强作用。 ”现在我们将把研究扩展到其他弹性体,以及研究氧化度和GO粒径对交联和增强效果的影响等方面上。”

 

    这项研究已经被发表在Nature上。

 

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责任编辑:殷鹏飞


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标签: 石墨烯, 橡胶, 固体弹性材料

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