GO交聯(lián)機理示意圖，  （a）產(chǎn)生兩種類型的自由基，其中一種自由基擴散離開GO，導(dǎo)致橡膠基質(zhì)的交聯(lián)，而另一種則定位在GO上，導(dǎo)致GO和橡膠之間的交聯(lián) （b）除了由自由基（綠點）引起的化學交聯(lián)之外，還存在由聚合物吸收到GO上而產(chǎn)生的物理交聯(lián)（紅色圓圈）。

    天然橡膠為粘性液體，但添加交聯(lián)劑和填料顆粒可以生產(chǎn)出固體彈性材料。然而，這個過程是耗費時間和精力的。 現(xiàn)在來自四川和哈佛大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯氧化物（GO）可以在一個簡單的步驟中交聯(lián)和強化橡膠[興等人，復(fù)合材料科學＆技術(shù) 144（2017）223]。

    四川大學金榮榮解釋說：“交聯(lián)和加固是提高橡膠機械性能的兩個最重要的策略。”目前橡膠工業(yè)使用低效，耗能，甚至污染環(huán)境的復(fù)雜交聯(lián)配方和增強納米顆粒。

    常規(guī)填料如炭黑和二氧化硅是惰性的，因此不能發(fā)揮任何交聯(lián)作用。 相反，提供交聯(lián)的功能性納米粒子往往特定于某些聚合物。相比之下，橡膠通常通過自由基反應(yīng)進行交聯(lián)。一種可以提供增強和產(chǎn)生自由基以誘導(dǎo)交聯(lián)的添加劑對于橡膠工業(yè)將是非常有用的。

    吳和他的同事認為，只有1納米厚和1微米寬的GO薄片可以同時交聯(lián)和增強橡膠。

    我們使用氧化石墨烯在高溫下產(chǎn)生自由基來交聯(lián)橡膠，同時因為它具有高的機械性能和大表面積，所以用來增強橡膠。

    研究人員說，這個過程非常簡單，綠色，節(jié)能。 將GO水溶液與凝膠化并干燥的橡膠膠乳混合。然后將混合物熱壓成復(fù)合材料 - 不需要有機溶劑或機械混合裝置。

    研究人員的研究結(jié)果表明，加熱產(chǎn)生OH和COOH自由基都擴散到橡膠基質(zhì)中，并聚集在GO /橡膠界面。 除了產(chǎn)生自由基，其通過化學交聯(lián)橡膠，GO也與橡膠發(fā)生物理上的相互作用。物理界面相互作用不是永久性的，而是在高溫下更快的解離 -以使橡膠松弛。

    在他們的實驗中，科學家測試了兩種橡膠材料：由聚異戊二烯組成的天然橡膠和合成塑料聚氨酯。對于這些，他們添加了不同種類，數(shù)量和大小的石墨烯。 在大多數(shù)情況下，他們觀察到所得到的復(fù)合材料比不含石墨烯的相同材料能夠更大程度地被拉伸并且在破裂之前能承受更大的力。事實上，僅添加0.1％的石墨烯就能使橡膠增強50％。

    曼徹斯特的納米功能材料集團領(lǐng)導(dǎo)者Vijayaraghavan說：“復(fù)合材料包含兩部分，一種柔軟輕盈的基體和一種強力的填料，總而言之，它們既輕又強。”，“這是運動車中使用的碳纖維復(fù)合材料或用于護甲的凱夫拉爾復(fù)合材料的原理。在這種情況下，我們用石墨烯制成了一種柔軟而有彈性但脆弱的橡膠復(fù)合材料，所得材料都是更強大和更柔軟。”

    結(jié)果是GO /橡膠復(fù)合材料具有的拉伸強度是常規(guī)交聯(lián)橡膠的四倍，并且在斷裂時具有顯著較大的拉伸應(yīng)變。 研究人員認為，通過微調(diào)GO分數(shù)和熱壓條件可以進一步提高機械性能。

    吳先生說：“我們只研究了GO在一種橡膠（苯乙烯 - 丁二烯）中的交聯(lián)和增強作用。 ”現(xiàn)在我們將把研究擴展到其他彈性體，以及研究氧化度和GO粒徑對交聯(lián)和增強效果的影響等方面上。”

    這項研究已經(jīng)被發(fā)表在Nature上。

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責任編輯：殷鵬飛

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