PC／铜负载氧化石墨烯复合材料

中国航发北京航空材料研究院利用喷雾干燥法得到了铜负载氧化石墨烯(Cu@GO)，并通过高速混合、挤出、注塑工艺成功制备了聚碳酸酯(PC)／Cu@GO抗菌复合材料。观察了Cu@GO抗菌颗粒在PC中的分散情况，探究了不同Cu@GO添加量下PC复合材料的力学及抗菌性能。结果表明，Cu@GO在PC基体中分散均匀，没有出现明显团聚。添加适量的Cu@GO能够提高PC的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度。Cu@GO有效地提升了PC的抗菌性，当Cu@GO质量分数为0.1%时，PC对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌率分别为99.8%和99.9%，当其质量分数大于0.2%时，PC对两种细菌的抗菌率均超过99.9%。

Cu@GO的制备：按照1∶9的质量比称取GO粉末和五水合硫酸铜，分别加入适量去离子水并充分搅拌均匀后，将两种水溶液混合并超声30 min。最后将上述混合液加入到喷雾干燥机中，200℃喷雾干燥，得到Cu@GO。

PC／Cu@GO复合材料的制备：首先，分别将Cu@GO按质量分数为0.01%，0.05%，0.1%，0.2%和0.5%与PC在高速混合机中以1 400 r／min的转速混合30 min；随后将上述混合材料加入双螺杆造粒机中进行造粒，挤出的粒子经过冷却后放入烘箱中120℃烘干3 h。最后将烘干的颗粒加入注塑机，注塑成标准PC试样，注塑温度为240℃，注塑压力为90 MPa，制得试样，分别标记为PC–0.1，PC–0.5，PC–1，PC–2和PC–5，不含Cu@GO的空白对照组标记为PC–0。

图1为Cu@GO的SEM照片和EDS面扫结果。由图1a可见，经过喷雾干燥的氧化石墨烯形貌呈球状，其尺径在20 μm以内。该球形结构EDS面扫结果如图1c至图1f显示，C，O，Cu和S等元素较为均匀地分布在表面，其中C，O，Cu和S四种元素原子百分比分别为11.80%，73.48%，7.26%和7.45%。

Cu@GO的XPS宽扫结果如图2所示。在结合能为169.2，285.1，532.0 eV和936.0 eV处分别出现了S 2p、C 1s、O 1s和Cu 2p的典型特征峰位，说明Cu元素已成功负载到GO上，该结果与EDS结果相一致。

通过光学显微镜表征了Cu@GO在PC中的分散情况，可以看到，当Cu@GO质量分数为0.2%时，Cu@GO颗粒在PC基体中分散均匀，其颗粒尺径与混合造粒前没有明显区别，说明在混合及注塑过程中，Cu@GO没有发生明显团聚现象。

为了研究Cu@GO对PC试样力学性能的影响，分别测试了PC／Cu@GO材料的拉伸性能、弯曲性能、压缩性能和冲击性能。力学性能测试结果如图3所示。

当Cu@GO质量分数为0.1%时PC／Cu@GO复合材料的拉伸强度最高，达到了61.4 MPa，仅较空白组提高了1.0 MPa。当Cu@GO质量分数为0.2%时PC／Cu@GO复合材料的弯曲强度为93.6 MPa，较纯PC提升了5.5 MPa，当Cu@GO含量继续增加，则弯曲强度明显下降。纯PC具有较高的缺口冲击强度18.0 kJ／m2，随着Cu@GO含量的增加，PC／Cu@GO复合材料的缺口冲击强度总体下降。当Cu@GO质量分数为0.05%时PC／Cu@GO复合材料具有较高的压缩屈服强度57.5 MPa，较纯PC提升了1.0 MPa，当Cu@GO含量继续增加，压缩强度呈现逐渐降低的趋势。以上结果说明，向PC中加入适量的Cu@GO，可以在一定程度提升PC的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度，当质量分数超过0.2%时，拉伸强度、弯曲强度及压缩强度均会下降。这可能是由于在拉伸、弯曲及压缩过程中，氧化石墨烯阻碍了高分子链段间的滑动，其优异的强度对复合材料进行了增强；当Cu@GO添加量过大时，氧化石墨烯会导致PC交联密度和基体连续性显著下降，影响了其本征性能，进而导致复合材料的力学性能降低。

分别对上述几种PC复合材料进行了抗菌测试。结果表明，随着Cu@GO含量的增加，PC对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌率逐渐提高。空白组样品对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌率分别为0%和22.2%，几乎不具有抑菌效果。PC–0.5对两种细菌的抗菌率分别为99.7%和98.0%，而PC–1的抗菌率则分别提升为99.8%和99.9%，说明仅添加质量分数0.1%的Cu@GO，PC复合材料就具有优异的抗菌效果。当Cu@GO的质量分数为0.2%和0.5%时，样品对两种细菌的抗菌率均超过了99.9%。

(1)采用喷雾干燥工艺制备了微米尺度的球形Cu@GO，将其与PC高速混合、挤出、注塑后成功制备了PC／Cu@GO复合材料。通过光学显微镜观察发现，Cu@GO在PC基体中分散较均匀，未出现明显团聚现象。

(2) Cu@GO的添加对PC具有增强效果，加入适量Cu@GO能够提高PC／Cu@GO复合材料的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度，然而加入Cu@GO会降低PC／Cu@GO复合材料的缺口冲击强度。

(3) Cu@GO的加入能有效提升PC／Cu@GO复合材料的抗菌性能，当Cu@GO的质量分数为0.1%时，PC对大肠杆菌及金黄葡萄球菌的抗菌率为99.8%和99.9%，当其质量分数超过0.2%时，PC／Cu@GO复合材料对以上两种细菌的抗菌率均超过了99.9%。