龐茂璋， 黃 佳， 唐秀之

（中南大學(xué) 航空航天學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

水凝膠是一類(lèi)具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、以水為分散介質(zhì)的高分子材料［1］。 在礦冶工程行業(yè)中，高分子水凝膠材料因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性，在粉塵吸附［2-3］、污水處理［4-5］，礦井堵漏［6-7］等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

然而，高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中交聯(lián)點(diǎn)有限且不均一，導(dǎo)致純高分子水凝膠材料在宏觀(guān)上往往表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能［8］。 引入納米填料并改變其與聚合物基體之間的界面相互作用可以顯著改變聚合物的力學(xué)性能［9］。 本文通過(guò)對(duì)氧化石墨烯（GO）的進(jìn)一步氧化處理，制備出多孔氧化石墨烯（HGO），這種材料既富含多種官能團(tuán)，又提供了豐富的孔洞結(jié)構(gòu)，容易使聚合物鏈穿過(guò)其表面形成滑鏈環(huán)類(lèi)交聯(lián)［10］，使水凝膠同時(shí)具備納米顆粒和活動(dòng)交聯(lián)兩種交聯(lián)方式，同時(shí)提高聚合物材料強(qiáng)度和韌性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

丙烯酰胺（AM，化學(xué)純）、過(guò)硫酸銨（APS，分析純）購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；N，N，N′，N′，?四甲基乙二胺（TEMED，99%）購(gòu)自阿拉丁試劑（上海）有限公司。 氧化石墨烯（GO）由Hummers 法制備［11-12］。所有溶液均用去離子水配置。

儀器包括電子天平（ PTX-FA210S，華志（福建）電子科技有限公司）；數(shù)控超聲波清洗器（KQ3200DE，昆山市超聲儀器有限公司）；力學(xué)拉伸機(jī)（WBE-9010B，東莞市威邦儀器設(shè)備有限公司）；冷凍干燥機(jī)（SCIENTZ-10ND，寧波新芝生物科技有限公司）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 多孔氧化石墨烯（HGO）的制備

取1.5 g GO 倒入燒杯，加入750 mL 蒸餾水后超聲分散15 min。 待GO 分散完全，加入75 mL H2O2溶液，油浴加熱至100 ℃反應(yīng)2 h。 將得到的溶液進(jìn)行冷凍干燥，干燥后得到HGO。

1.2.2 HGO 增強(qiáng)AM 復(fù)合水凝膠（PHH）的制備

向去離子水中通入氮?dú)? h 去除水中溶解的O2，后續(xù)使用的水均為除去O2的水。 將HGO 和GO 分別配成3 mg／mL 水溶液，備用。

在樣品瓶中加入2.5 g AM，分別加入1、2、3 mL HGO 溶液，加入0.004 g APS，然后用水定容至10 mL，超聲處理10 min 后加入2 μL TEMED，再次超聲2 min后將溶液倒入模具中成型，在50 ℃下反應(yīng)3 d 得到水凝膠。

GO 交聯(lián)的聚丙烯酰胺復(fù)合水凝膠（PGH）和純丙烯酰胺水凝膠（PAM）的制備過(guò)程與HGO 交聯(lián)的水凝膠（PHH）制備方法一致。

以PHnH 表示多孔氧化石墨烯增強(qiáng)丙烯酰胺復(fù)合水凝膠，其中n代表每10 mL 溶液中HGO 的含量（mg），以PGmH 代表氧化石墨烯增強(qiáng)丙烯酰胺復(fù)合水凝膠，其中m表示每10 mL 溶液中GO 的含量（mg）。

1.2.3 水凝膠樣品的機(jī)械性能測(cè)試

拉伸測(cè)試：?jiǎn)♀徯蜆悠房傞L(zhǎng)80 mm、寬15 mm、標(biāo)距15 mm，標(biāo)距處寬度10 mm、厚度3 mm，拉伸速率20 mm／min。

壓縮測(cè)試：圓柱形樣品直徑26 mm、高度13～16 mm，壓縮速率5 mm／min，樣品最大載荷為機(jī)器保護(hù)量程45 N。

1.2.4 水凝膠的溶脹度測(cè)試

在室溫下，將不同凝膠材料（約20 mg）浸泡在水中，每隔30 min，取出并用濾紙吸干表面的殘余水滴，稱(chēng)重。 凝膠溶脹度（Ws，%）計(jì)算公式為：

式中m1為溶脹平衡后的凝膠質(zhì)量，mg；m0為凝膠浸泡前的質(zhì)量，mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 多孔氧化石墨烯增強(qiáng)聚丙烯酰胺三維網(wǎng)絡(luò)的合成路線(xiàn)

以AM 為單體、APS 為引發(fā)劑、HGO（或GO）為交聯(lián)劑、TEMED 為助引發(fā)劑，采用原位聚合法制備了多孔氧化石墨烯和氧化石墨烯增強(qiáng)增韌聚丙烯酰胺水凝膠（PHH 或PGH）。 合成路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 PHH（或PGH）水凝膠合成路線(xiàn)

2.2 多孔氧化石墨烯微觀(guān)結(jié)構(gòu)表征

GO 和HGO 的寬掃描XPS 和傅里葉變換紅外光譜見(jiàn)圖2。 HGO 表面平均孔徑3.15 nm，足以容納分子鏈的穿過(guò)［13］。 如圖2（a）所示，GO 和HGO 的C／O原子比分別為2.01 和2.39。 圖2（b）顯示，HGO 的C—OH（1 380 cm-1）和（1 720 cm-1）峰強(qiáng)度較GO的有所降低，說(shuō)明反應(yīng)中部分去除了—OH 及。FTIR 測(cè)試結(jié)果與XPS 結(jié)果一致。 這意味著HGO 能提供的非共價(jià)交聯(lián)點(diǎn)少于GO，所以力學(xué)性能的提升可以歸功于孔洞與分子鏈形成的拓?fù)浣宦?lián)。

圖2 GO 和HGO 的寬掃描XPS 和傅里葉變換紅外光譜

2.3 水凝膠微觀(guān)形貌表征

圖3 為PG3H 水凝膠和PH3H 水凝膠的微觀(guān)形貌。 從圖3 可以看出，2 種水凝膠均具有典型的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，平均孔徑50 μm 左右。 2 種水凝膠在微觀(guān)結(jié)構(gòu)上并沒(méi)有明顯差別。 說(shuō)明HGO 的加入對(duì)水凝膠微觀(guān)結(jié)構(gòu)沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響。 孔洞的拓?fù)浣宦?lián)方式不會(huì)明顯提高水凝膠的孔隙。

圖3 水凝膠SEM 圖

2.4 水凝膠力學(xué)性能表征

不同含量交聯(lián)劑水凝膠拉伸測(cè)試力學(xué)性能見(jiàn)表1，水凝膠應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

表1 不同含量交聯(lián)劑水凝膠拉伸測(cè)試力學(xué)性能

從表1 及圖4（a）可以看出，PHH 水凝膠的韌性及斷裂伸長(zhǎng)率整體優(yōu)于PGH 水凝膠，但彈性模量及拉伸強(qiáng)度遜于PGH 水凝膠。 與PAM 水凝膠對(duì)比可知，無(wú)論是GO 還是HGO 作為交聯(lián)劑的水凝膠在強(qiáng)度及韌性方面都有極大提升，且驗(yàn)證了多孔二維材料作為交聯(lián)劑確實(shí)可以大幅度提高水凝膠材料的機(jī)械性能。

從圖4（b）可以看出，PGH 水凝膠和PHH 水凝膠壓縮模量差距不大，但都比不添加交聯(lián)劑的聚丙烯酰胺水凝膠壓縮模量更高，PHH 壓縮模量整體稍微偏高，原因是HGO 表面存在孔洞，可以使聚合物鏈穿過(guò)，有利于水凝膠中單體形成長(zhǎng)鏈，使得PHH 水凝膠分子量更大、模量更高。 并且在每種水凝膠中，交聯(lián)劑含量為9 mg／10 mL 的水凝膠壓縮模量最高，說(shuō)明提高交聯(lián)度在一定程度上能提高壓縮模量。

圖4 水凝膠應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)

2.5 HGO 基于滑輪結(jié)構(gòu)增強(qiáng)增韌水凝膠材料機(jī)制

在水凝膠的聚合過(guò)程中，GO 片層表面的官能團(tuán)和聚丙烯酰胺分子鏈上的官能團(tuán)形成氫鍵進(jìn)行非共價(jià)交聯(lián)，產(chǎn)生固定的交聯(lián)結(jié)點(diǎn)，因?yàn)镚O 片層“分子級(jí)”的分散性和高氫鍵密度，使其對(duì)水凝膠的強(qiáng)度和韌性有不同尋常的提升。 而HGO 片層比GO 片層表面多了很多納米級(jí)別的孔洞，可以提供另一種物理交聯(lián)的方式——拓?fù)浣宦?lián)。 在HGO 片層作為交聯(lián)劑的水凝膠中，聚合物單體分子會(huì)在聚合過(guò)程中形成穿過(guò)這些孔洞的分子鏈，這些孔洞不會(huì)與分子鏈之間產(chǎn)生化學(xué)鍵或分子間作用力從而將分子鏈“鎖死”，很多聚合物分子鏈可以在受力過(guò)程中于此孔洞中自由滑動(dòng)，產(chǎn)生滑輪效應(yīng)。

水凝膠受力拉伸示意如圖5 所示。 在受力過(guò)程中，GO 片層作為交聯(lián)劑的水凝膠優(yōu)先將力集中在受力方向上較短的分子鏈上，使較脆弱的分子鏈先斷裂，一點(diǎn)點(diǎn)破壞水凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致斷裂；HGO以類(lèi)似于滑輪的方式平衡穿孔聚合物鏈的張力，穿過(guò)孔的分子鏈在受力過(guò)程中可以向應(yīng)力更集中的方向運(yùn)動(dòng)，使受力可以均攤到更長(zhǎng)的分子鏈上，提高了水凝膠抗拉伸能力。 張力均衡不僅可以發(fā)生在單個(gè)聚合物鏈中，還可以發(fā)生在分子鏈HGO 片上交聯(lián)的其他聚合物鏈之間，帶動(dòng)相互交聯(lián)的分子鏈網(wǎng)絡(luò)共同承擔(dān)本來(lái)集中在某一條分子鏈上的受力，從而使水凝膠材料整體表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和韌性。

3 結(jié) 論

1） 以AM 為單體、APS 為引發(fā)劑、HGO（或GO）為交聯(lián)劑、TEMED 為助引發(fā)劑，采用原位聚合法制備了多孔氧化石墨烯增強(qiáng)增韌聚丙烯酰胺水凝膠（PHH）和氧化石墨烯增強(qiáng)增韌聚丙烯酰胺水凝膠（PGH）。

2） PHH 水凝膠斷裂伸長(zhǎng)率最高為4 847%，拉伸強(qiáng)度最高為148 kPa；PGH 水凝膠斷裂伸長(zhǎng)率最高為1 637%，拉伸強(qiáng)度最高為158 kPa。 2 種水凝膠強(qiáng)度差別不大，但PHH 水凝膠韌性遠(yuǎn)高于PGH 水凝膠，說(shuō)明表面孔洞可以作為物理交聯(lián)的方式增大水凝膠的交聯(lián)度。

3） 滑輪結(jié)構(gòu)的HGO 可以使分子鏈在孔洞中自由移動(dòng)，平攤受力，從而提高水凝膠韌性。 此增強(qiáng)增韌機(jī)理值得繼續(xù)深入研究，對(duì)其他高分子材料的增強(qiáng)增韌有借鑒作用。