文章编号：１００１‐９７３１（２０１５）１６‐１６１３３‐０５
不同比例碳纳米管／石墨烯杂化材料的制备及性能倡
吴俊青，俞科静，钱 坤
（江南大学国家生态纺织重点实验室，江苏无锡２１４１２２）
摘 要： 碳纳米管和酸化石墨烯可以通过聚丙烯酰氯的桥梁作用紧密地连接在一起，形成稳定的碳纳米管／石墨烯杂化材料。将合成杂化材料所需的碳纳米管和石墨烯的比例分别调整为１∶２和２∶１与聚丙烯酰氯进行反应。用红外光谱（ＦＴ‐ＩＲ）、透射电镜（ＴＥＭ）和拉曼光谱（Ｒａｍａｎ）对反应产物碳纳米管／石墨烯杂化材料进行表征。将合成的不同种类杂化材料添加到环氧树脂中制备复合材料，研究不同种类的杂化材料对环氧树脂的增强增韧效果。拉伸测试结果表明，碳纳米管和石墨烯的比例为１∶２时，合成的碳纳米管／石墨烯杂化材料对环氧树脂基的增强增韧效果最佳。这是由于当碳纳米管与石墨烯的比例为１∶２时，碳纳米管可以更均匀地分散在石墨烯的片层中，形成稳定的三维结构，当复合材料承受外力时不会产生局部应变，从而达到增强增韧效果。
关键词： 碳纳米管；石墨烯；比例；杂化材料；环氧树脂
中图分类号： ＴＱ３１７文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１‐９７３１．２０１５．１６．０２４
１ 引 言
石墨烯最早是由英国曼切斯特大学物理和天文学系的Ｇｅｉｍ和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ于２００４年利用微机械剥离法制得的［１］。它是继富勒烯和碳纳米管之后发现的又一种新型低维碳材料，是由单层碳原子通过ｓｐ２杂化轨道所形成的 键和π键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体。石墨烯中碳元素之间的化学键使得它具有优异的力学性能，它是目前世界上发现的强度最大的材料，当石墨烯作为填料添加到聚合物基体中时，能够起到增强增韧聚合物基体的作用。石墨烯作为增强体分散于基体中，在复合材料受到外力作用时，石墨烯片层可以承担部分载荷，从而使复合材料的拉伸性能得到显著提高［２‐４］。碳纳米管（ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ＣＮＴｓ）是由单层的石墨圆筒沿同轴层套构或由石墨原子单层绕同轴缠绕而成的管状物。它的直径大约在一到几十个纳米，比长度小很多。在１９９１年它首次被来自日本ＮＥＣ公司的电子显微镜专家Ｉｉｊｉｍａ发现［５］。碳纳米管的碳原子之间的键合是主要由ｓｐ２杂化的共价键所形成的（ＣＣ和Ｃ—Ｃ），这使碳纳米管具有很强的轴向强度、弹性模量以及韧性。同时，由于碳纳米管是具有封闭的拓扑构型的中空笼状物，在受到外力作用时可以通过体积形变展现出良好的柔韧性，可承受大于４０％的张力应变。当碳纳米管添加到复合材料中时，当受到外力作用时它可通过形变吸收大部分能力，这样就大大提高了材料的韧性［６］。由于石墨烯和碳纳米管的优异性能，意图将两者性能结合起来的研究已有许多。ＡｒｃｈａｎａＳ．Ｐａｔｏｌｅ等［７］研究了通过石墨烯和碳纳米管在聚苯乙烯溶液中自组装形成混合的纳米材料，再将组装的杂化材料再作为填料用于聚苯乙烯基聚合物中制备复合材料；Ｌｉａｎｇ等通过调节碳纳米管和石墨烯的比例再将混合物添加到树脂中制备复合材料，并研究树脂复合体系的分散性和复合材料的力学性能［８］。本课题组的郏余晨已通过多步法以聚合物聚丙烯酰氯为桥梁，成功将石墨烯和碳纳米管连接在一起，制备出碳纳米管／石墨烯杂化材料［９］。
本文的主要目的是将碳纳米管和石墨烯的优异性能结合在一起，使得它在聚合物中的应用有更大的潜力。首先将碳纳米管与不同比例的石墨烯进行磁力搅拌超声混合，再将得到的分散液与聚丙烯酰氯反应得到１∶１、１∶２和２∶１碳纳米管／石墨烯杂化材料并对杂化材料的力学性能进行简单验证。
２ 实 验
２．１ 实验材料
羟基化的多壁碳纳米管（ＭＷＣＮＴｓ‐ＯＨ），外径：２０～４０ｎｍ，纯度为９７％（质量分数），深圳市纳米港有限公司；石墨烯微片（ＧｎＰｓ），厦门凯纳石墨烯技术有限公司；丙烯酰氯，９７％（质量分数），百灵威科技有限公司；环氧树脂（氢化双酚Ａ二缩水甘油醚），苏州市东吴玻璃仪器有限公司；固化剂（甲基六氢邻苯二甲酸酐）；促进剂（２‐乙基‐４‐甲基咪唑）；浓硝酸，纯度６８％（质量分数）；浓硫酸，纯度９８％（质量分数）；四氢呋喃（ＴＨＦ），分析纯。
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吴俊青等：不同比例碳纳米管／石墨烯杂化材料的制备及性能
倡基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（５１２０３０６２，５１３０２１１０）；产学研联合创新资金———前瞻性联合研究资助项目（ＢＹ２０１２０６４，ＢＹ２０１３０１５‐３１，ＢＹ２０１３０１５‐３２）
收到初稿日期：２０１５‐０４‐１０收到修改稿日期：２０１５‐０６‐２４通讯作者：俞科静，Ｅ‐ｍａｉｌ：ｙｕｋｅｊｉｎｇ＠ｊｉａｎｇｎａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ作者简介：吴俊青 （１９９０－），女，山西临汾人，在读硕士，师承钱坤教授，主要从事纺织复合材料研究。