體能訓練器械用膠粘劑的改性與性能研究

郭振東 李翔

摘 要：采用乳化分散工藝和超聲分散工藝對體能訓練器械用石墨烯/環(huán)氧樹脂膠粘劑進行預分散處理，研究了氧化石墨烯對環(huán)氧樹脂膠粘劑的改性作用，并分析了其含量對各項性能的影響。結(jié)果表明，改性膠粘劑的儲能模量會隨著氧化石墨烯含量增加而逐漸增大，當氧化石墨烯含量為2.0%時取得儲能模量最大值。隨著氧化石墨烯含量的增加，氧化石墨烯改性膠粘劑的沖擊強度和硬度整體呈現(xiàn)先增后減；氧化石墨烯含量對膠粘劑抗拉強度的影響規(guī)律與對膠粘劑硬度的影響規(guī)律相同，即氧化石墨烯含量為1.8%時具有較高的抗拉強度和硬度。對于體能訓練器械用膠粘劑而言，適宜的氧化石墨烯添加量為1.8%。

關鍵詞：氧化石墨烯；膠粘劑；分散工藝；拉伸性能；沖擊強度

中圖分類號：TQ433.4+7

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0011-04

Modification and performance study of adhesives for physical training equipment

GUO Zhendong，LI Xiang

（Yan'an University，Shaanxi Yan'an，716000，China）

Abstract：The emulsion dispersion process and ultrasonic dispersion process were used to pre-disperse the graphene/epoxy resin adhesive for physical training equipment，the mechanical properties of the adhesive modified with graphite oxide with different contents were studied，and the effects of its content on various properties was analyzed.The results showed that the storage modulus of adhesive increased gradually with the increase of graphite oxide content，and the maximum value of storage modulus was obtained when the content of graphite oxide was 2.0%.With the increase of graphite oxide content，the impact strength and hardness of graphite oxide modified adhesive under emulsification and ultrasonic dispersion processes increased first and then decreased.The influence of graphite oxide content on the tensile strength of adhesive was the same as that of adhesive hardness，that is，when graphite oxide content was 1.8%，it had relatively high tensile strength and hardness.For the adhesive for physical training equipment，the appropriate addition of graphite oxide was 1.8%.

Key words：graphite oxide；an adhesive；dispersion process；tensile properties；impact strength

膠粘劑是指將不同類型的物體通過粘合作用而連接在一起的物質(zhì)，通常情況下膠粘劑通過化學方法或者物理方法混合制備［1］，膠粘劑的粘接強度、硬度等性能在很大程度上將影響被連接材料的使用壽命［2］。隨著現(xiàn)代化體育運動的不斷普及，近年來體能訓練器械在社區(qū)、學校、科研院所、企業(yè)等不同場合都有廣泛應用，其中體能訓練器械不可避免的需要使用膠粘劑來進行粘接［3］，尤其是在需要良好的拉伸性能和硬度等特性的體能訓練器械中，傳統(tǒng)的膠粘劑已難以滿足其使用要求［4-6］。氧化石墨烯是

石墨烯的氧化物（GO），由于具有良好的力學性能、熱性能等而被廣泛應用于電容器、體能訓練器械等領域中，將氧化石墨烯加入到環(huán)氧樹脂膠粘劑中對其進行改性，有望一定程度提高體能訓練器械用膠粘劑的拉伸性能、硬度等，目前，石墨烯改性膠粘劑方面的研究報道較少［7-9］，研究采用乳化分散工藝和超聲分散工藝對體能訓練器械用石墨烯/環(huán)氧樹脂膠粘劑進行預分散處理，研究了不同含量氧化石墨烯改性膠粘劑的力學性能變化，結(jié)果將有助于高性能體能訓練器械用膠粘劑的開發(fā)與應用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗材料包括：環(huán)氧樹脂E51、鱗片狀石墨烯、聚酰胺PA651、分析純無水乙醇。試驗設備及耗材包括：自制聚四氟乙烯模具、DQ-600E型超聲波清洗機、XZG-1200型真空干燥箱、DMS 6200型動態(tài)熱機械分析儀、D/MAX-B型X射線衍射儀、MTS-810型液壓私服萬能材料試驗機、XJU-2.8型懸臂梁沖擊試驗機和XHS型邵氏硬度計。

1.2 試樣制備

采用2種方法制備氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂膠粘劑。（1）乳化分散工藝，根據(jù)成分配比將石墨烯/環(huán)氧樹脂進行乳化機乳化6 min后，在氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂中加入總質(zhì)量50%的聚酰胺，混合均勻后在烘箱中進行58 ℃/128 min的預熱處理，取出后攪拌均勻并排出內(nèi)部氣泡等，攪拌8 min后倒入聚四氟乙烯模具中，進行128 ℃/148 min的加熱固化處理，得到氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂膠粘劑固化物。（2）超聲分散工藝，根據(jù)成分配比將氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂進行28 min的超聲分散處理，在石墨烯/環(huán)氧樹脂中加入總質(zhì)量50%的聚酰胺，混合均勻后在烘箱中進行58 ℃/128 min的預熱處理，取出后攪拌均勻并排出內(nèi)部氣泡等，攪拌8 min后倒入聚四氟乙烯模具中，進行128 ℃/148 min的加熱固化處理，得到氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂膠粘劑固化物。其中，氧化石墨烯添加量都使用質(zhì)量百分數(shù)，如2.0%GO是指氧化石墨烯質(zhì)量百分數(shù)為2%。

1.3 測試方法

采用D/MAX-B型X射線衍射儀對氧化石墨烯、石墨烯和環(huán)氧樹脂進行X射線衍射分析；將膠粘劑固化物加工成25 mm× 10 mm樣條，在DMS 6200型動態(tài)熱機械分析儀上進行動態(tài)力學性能測試［10］，升溫速率設定為3 ℃/min；室溫拉伸力學性能測試在MTS-810型液壓私服萬能材料試驗機上進行［11］，拉伸速率為2 mm/min，以3組試樣平均值作為測試結(jié)果；室溫沖擊性能測試采用XJU-2.8型懸臂梁沖擊試驗機進行測試，結(jié)果取3組試樣平均值；硬度測試采用XHS型邵氏硬度計進行，測試結(jié)果取3組平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

圖1為氧化石墨烯（GO）、石墨烯（GR）和環(huán)氧樹脂（EP）的X射線衍射分析。對比分析可知，石墨烯在（002）晶面出現(xiàn)了峰寬較大的衍射峰，而氧化石墨烯中對應位置的衍射峰消失，且在（001）晶面出現(xiàn)了明顯衍射峰，根據(jù)布拉格方程計算［12］可以得到氧化石墨烯的片層間距約為0.79 nm，這主要是因為石墨在經(jīng)過剝離氧化后，羧基、羥基等基團被引入到石墨片層上所致［13］。

由圖1可知，環(huán)氧樹脂中存在一個較大的衍射峰和較小的衍射峰，與石墨烯和氧化石墨烯明顯不同。

圖2為氧化石墨烯含量對膠粘劑儲能模量的影響。

由圖2可知，在溫度為40 ℃時，環(huán)氧樹脂的儲能模量為1 099 MPa，而對應溫度下氧化石墨烯含量為2%時膠粘劑的儲能模量為1 870 MPa，相較于石墨烯摻雜改性前提高了70.15%。這主要是因為氧化石墨烯和環(huán)氧樹脂可以發(fā)生交互作用并增強儲能模量［14-16］。

圖3為乳化分散工藝下氧化石墨烯含量對膠粘劑抗拉強度的影響。

由圖3可知，在乳化分散工藝下，改性膠粘劑固化材料的抗拉強度會隨著氧化石墨烯含量增加先增后減，在氧化石墨烯含量為2.0%時取得抗拉強度最大值。

圖4為超聲分散工藝下不同氧化石墨烯含量改性膠粘劑的抗拉強度。

由圖4可知，在膠粘劑中加入的氧化石墨烯含量在1.0%及以下時，氧化石墨烯改性膠粘劑材料的抗拉強度會逐漸增大，繼續(xù)增加氧化石墨烯含量會使得膠粘劑的抗拉強度降低；當繼續(xù)增加氧化石墨烯含量至1.4%時，膠粘劑的抗拉強度又會產(chǎn)生一定程度提高，之后整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

圖5為乳化分散工藝和超聲分散工藝下不同氧化石墨烯含量的膠粘劑沖擊強度。

由圖5可知，乳化分散工藝和超聲分散工藝下氧化石墨烯改性膠粘劑的沖擊強度整體隨著氧化石墨烯含量增加而先增后減；在乳化分散工藝下，氧化石墨烯含量為1.8%時取得沖擊強度最大值；在超聲分散工藝下，氧化石墨烯含量為1.8%時取得最大值。此外，在相同氧化石墨烯含量下，乳化分散工藝下氧化石墨烯改性膠粘劑的沖擊強度高于超聲分散工藝下的膠粘劑。因此，在氧化石墨烯改性膠粘劑的分散工藝中，乳化分散工藝對氧化石墨烯的分散效果會優(yōu)于超聲分散工藝。

圖6為乳化分散工藝和超聲分散工藝下不同氧化石墨烯含量的膠粘劑的硬度。乳化分散工藝和超聲分散工藝下氧化石墨烯改性膠粘劑的硬度會隨著氧化石墨烯含量增加先增后減??；在乳化分散工藝下，氧化石墨烯含量為1.8%時取得硬度最大值；在超聲分散工藝下，氧化石墨烯含量為1.8%時取得硬度最大值。這主要是因為在膠粘劑中加入氧化石墨烯，會由于氧化石墨烯的表面活性位點較多而與環(huán)氧樹脂產(chǎn)生鍵合作用［22］，對基體產(chǎn)生增強作用而提高了硬度，但是如果氧化石墨烯過多，局部產(chǎn)生的偏聚效果會引發(fā)應力集中，造成裂紋萌生等并降低硬度［23］。此外，乳化分散工藝下氧化石墨烯改性膠粘劑的硬度高于超聲分散工藝下的膠粘劑。氧化石墨烯含量對膠粘劑沖擊強度的影響規(guī)律與對膠粘劑硬度的影響規(guī)律相同，即氧化石墨烯含量為1.8%時具有較高的沖擊強度和硬度。

3 結(jié)語

（1）在乳化分散工藝下，膠粘劑固化材料的抗拉強度會隨著氧化石墨烯含量增加先增后減，在氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)為2.0%時取得抗拉強度最大值；

（2）在相同氧化石墨烯含量下，乳化分散工藝下氧化石墨烯改性膠粘劑的沖擊強度高于超聲分散工藝下的膠粘劑；

（3）隨著氧化石墨烯含量的增加，乳化分散工藝和超聲分散工藝下氧化石墨烯改性膠粘劑的硬度度整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；在乳化分散工藝下，氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)為1.8%時取得硬度最大值；在超聲分散工藝下，氧化石墨烯質(zhì)量分數(shù)為1.8%時取得硬度最大值。

【參考文獻】

［1］ 楊紹釗，黃君，黃立新.界面約束對氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂納米復合材料彈性性能影響有限元分析［J］.桂林理工大學學報，2022，42（3）：704-711.

［2］ 解依樂，王曉潔，惠雪梅.氧化石墨烯功能化及在改性環(huán)氧樹脂復合材料應用中的研究進展［J］.化工新型材料，2022，50（1）：24-29.

［3］ 劉全中，王鑫，趙雄燕.氧化石墨烯改性環(huán)氧樹脂復合材料的結(jié)構(gòu)及性能［J］.應用化工，2021，50（9）： 2583-2586.

［4］ 孫偉松，于思榮，薛瑞婷，等.氨基鏈修飾氧化氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂界面性能的分子動力學模擬［J］.表面技術，2022，51（2）：241-248.

［5］ 何志球，盤冠華，胡泳賓.氧化氧化石墨烯對環(huán)氧-橡膠兩相體系性能的影響研究［J］.粘接，2019，40（4）： 41-44.

［6］ 孟水堯.一種改性的高性能聚氨酯膠粘劑制備及性能優(yōu)勢分析［J］.粘接，2023，50（1）：33-36.

［7］ 陳從棕，何涌.高性能丙烯酸酯膠粘劑力學性能的研究［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2022，25（12）： 8-11.

［8］ 張媛.改性陶瓷環(huán)保膠粘劑在陶瓷類文物修復中的應用［J］.化學與粘合，2023，45（1）：93-96.

［9］ 邢偉義，陳亮，周慕天，等.氮化硼/氧化石墨烯復合導熱填料的制備及其環(huán)氧樹脂復合材料阻燃導熱絕緣性能的研究［J］.中國科學：化學，2023，53（2）：207-216.

［10］ 楊紹釗，黃君，黃立新.界面約束對氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂納米復合材料彈性性能影響有限元分析［J］.桂林理工大學學報，2022，42（3）：704-711.

［11］ 曾強，王榮超，劉綺，等.磁功能化氧化石墨烯改性環(huán)氧樹脂及其復合材料的性能［J］.材料研究學報，2022，36（12）：881-886.

［12］ 王勝起，洪慶林.體育護具用氧化石墨烯改性環(huán)氧樹脂的制備與表征［J］.塑料助劑，2022，152（2）： 24-26.

［13］ 張樂忠.化工改性聚氨酯膠粘劑的制備及性能研究［J］.太原學院學報（自然科學版），2023，41（1）： 22-27.

［14］ 楊冰，馬愛潔，尹常杰，等.環(huán)氧樹脂/氧化石墨烯復合材料的制備及其性能研究［J］.塑料科技，2022，50（10）：23-27.

［15］ 許江.氧化氧化石墨烯改性碳纖維/環(huán)氧樹脂體育復合材料及性能試驗［J］.塑料助劑，2022，155（5）：6-10.

［16］ 劉虹邑，范東陽，李愿杰，等.環(huán)氧樹脂復合材料的耐熱氧老化改性［J］.高分子材料科學與工程，2021，37（8）：102-109.

［17］ 劉默耕，朱春華，趙軍華.螺旋氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能［J］.塑料工業(yè)，2022，50（4）：58-63.

［18］ 麻琪.氧化石墨烯納米復合膜研究［D］.天津：天津大學，2008.

［19］ 張欣宇.芳綸納米纖維復合膜及復合纖維的制備與性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2020.

［20］ 劉虹邑，范東陽，李愿杰，等.環(huán)氧樹脂復合材料的耐熱氧老化改性［J］.高分子材料科學與工程，2021，37（8）：102-109.

［21］ 劉軍凱.磺酸基改性氧化氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料的制備及其性能研究［J］.安徽大學學報（自然科學版），2021，45（4）：88-92.

［22］ 劉蓉，李良鋒，陳果，等.氧化鋅@氧化石墨烯/環(huán)氧導熱絕緣復合材料的制備及性能研究［J］.功能材料，2021，52（6）：6006-6012.

［23］ 張良志.撐桿用氧化氧化石墨烯增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能研究［J］.粘接，2020，41（2）： 82-85.

［24］ 陳官，馬傳國，付澤浩，等.磁場作用下氧化氧化石墨烯包覆羥基氧化鐵增強碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的層間斷裂韌性［J］.航空材料學報，2022，42（3）：89-96.

［25］ 陳佳.碳纖維樹脂基復合材料的制備及在景觀設計中的應用［J］.粘接，2022，49（5）：145-148.

收稿日期：2023-10-29；修回日期：2024-01-25

作者簡介：郭振東（1983-），男，碩士，副教授，研究方向：體能訓練器材等;E-mail：guozdong813@sina.com

基金項目：2022年陜西省科技廳非基礎科學研究基金項目（項目編號：2022KRM017）。

引文格式：郭振東，李 翔.體能訓練器械用膠粘劑的改性與性能研究［J］.粘接，2024，51（3）：11-14.