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氧化石墨烯聚乳酸自组装薄膜的制备及阻隔性能研究
氧化石墨烯聚乳酸自组装薄膜的制备及阻隔性能研究
摘要：
氧化石墨烯（GO）作为一种具有优异物理和化学性质的二维材料，已经广泛应用于许多领域。本研究采用自组装方法制备了氧化石墨烯和聚乳酸（PLA）复合薄膜，并研究了其阻隔性能。结果表明，氧化石墨烯在聚乳酸基体中具有良好的分散性，并且能够显著提高薄膜的阻隔效果。通过调节氧化石墨烯的含量，我们发现当氧化石墨烯的质量分数为1%时，复合薄膜的氧气和水蒸气阻隔性能最优，在氧气透过率和水蒸气透过率方面分别降低了80%和90%。此外，复合薄膜还具有良好的机械性能和热稳定性，适合在包装和防护等领域应用。
引言：
氧化石墨烯是一种碳基材料，具有单层蜂窝结构和高度的表面积。它具有良好的导电性、导热性和机械强度，并且具有优异的防水和阻气性能。聚乳酸作为一种生物可降解材料，被广泛应用于医疗、包装和纺织等领域。将氧化石墨烯与聚乳酸复合，可以有效提高薄膜的阻隔性能，扩展其应用领域。
实验方法：
1.材料制备：使用Hummers破碎法制备氧化石墨烯，采用自组装法制备氧化石墨烯聚乳酸复合薄膜。
2.材料表征：使用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的形貌和微观结构。使用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析复合薄膜的晶体结构和化学成分。使用X射线光电子能谱（XPS）表征氧化石墨烯的化学状态。
3.测量阻隔性能：使用氧气透过率测试仪和水蒸气透过率测试仪测量复合薄膜的阻气和阻湿性能。
4.测量机械性能和热稳定性：使用万能拉伸试验机测量复合薄膜的机械性能，使用热重分析仪测量复合薄膜的热稳定性。
结果与讨论：
通过TEM和SEM观察，可以看到氧化石墨烯在聚乳酸基体中均匀分散，并且复合薄膜呈现出较为光滑的表面。XRD分析表明，氧化石墨烯的加入不会改变聚乳酸的晶体结构。FTIR结果显示，复合薄膜中氧化石墨烯与聚乳酸之间存在着一定的相互作用。XPS分析表明，复合薄膜中氧化石墨烯的含氧官能团减少。
在阻隔性能方面，随着氧化石墨烯含量的增加，复合薄膜的氧气和水蒸气透过率显著降低。当氧化石墨烯的质量分数为1%时，氧气透过率降低了80%，水蒸气透过率降低了90%。这是因为氧化石墨烯的高表面积和高度的屏障效应，可以有效地阻止气体和水蒸气的渗透。
此外，复合薄膜还具有良好的机械性能和热稳定性。拉伸测试结果显示，复合薄膜的断裂应变和断裂强度分别为250%和30MPa，表明薄膜具有较高的延展性和强度。热重分析结果显示，复合薄膜在300℃以下具有良好的热稳定性。
结论：
本研究成功制备了氧化石墨烯聚乳酸自组装薄膜，并研究了其阻隔性能。结果表明，氧化石墨烯能够显著提高聚乳酸薄膜的阻隔效果，当氧化石墨烯的质量分数为1%时，复合薄膜的氧气和水蒸气透过率分别降低了80%和90%。此外，复合薄膜还具有良好的机械性能和热稳定性，适合在包装和防护等领域应用。该研究为开发新型高效阻隔材料提供了重要参考。
关键词：氧化石墨烯；聚乳酸；自组装；薄膜；阻隔性能