体能训练器械用胶粘剂的改性与性能研究

郭振东 李翔

摘 要：采用乳化分散工艺和超声分散工艺对体能训练器械用石墨烯/环氧树脂胶粘剂进行预分散处理，研究了氧化石墨烯对环氧树脂胶粘剂的改性作用，并分析了其含量对各项性能的影响。结果表明，改性胶粘剂的储能模量会随着氧化石墨烯含量增加而逐渐增大，当氧化石墨烯含量为2.0%时取得储能模量最大值。随着氧化石墨烯含量的增加，氧化石墨烯改性胶粘剂的冲击强度和硬度整体呈现先增后减；氧化石墨烯含量对胶粘剂抗拉强度的影响规律与对胶粘剂硬度的影响规律相同，即氧化石墨烯含量为1.8%时具有较高的抗拉强度和硬度。对于体能训练器械用胶粘剂而言，适宜的氧化石墨烯添加量为1.8%。

关键词：氧化石墨烯；胶粘剂；分散工艺；拉伸性能；冲击强度

中图分类号：TQ433.4+7

文献标志码：A文章编号：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

膠粘剂是指将不同类型的物体通过粘合作用而连接在一起的物质，通常情况下胶粘剂通过化学方法或者物理方法混合制备［1］，胶粘剂的粘接强度、硬度等性能在很大程度上将影响被连接材料的使用寿命［2］。随着现代化体育运动的不断普及，近年来体能训练器械在社区、学校、科研院所、企业等不同场合都有广泛应用，其中体能训练器械不可避免的需要使用胶粘剂来进行粘接［3］，尤其是在需要良好的拉伸性能和硬度等特性的体能训练器械中，传统的胶粘剂已难以满足其使用要求［4-6］。氧化石墨烯是

石墨烯的氧化物（GO），由于具有良好的力学性能、热性能等而被广泛应用于电容器、体能训练器械等领域中，将氧化石墨烯加入到环氧树脂胶粘剂中对其进行改性，有望一定程度提高体能训练器械用胶粘剂的拉伸性能、硬度等，目前，石墨烯改性胶粘剂方面的研究报道较少［7-9］，研究采用乳化分散工艺和超声分散工艺对体能训练器械用石墨烯/环氧树脂胶粘剂进行预分散处理，研究了不同含量氧化石墨烯改性胶粘剂的力学性能变化，结果将有助于高性能体能训练器械用胶粘剂的开发与应用。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验材料包括：环氧树脂E51、鳞片状石墨烯、聚酰胺PA651、分析纯无水乙醇。试验设备及耗材包括：自制聚四氟乙烯模具、DQ-600E型超声波清洗机、XZG-1200型真空干燥箱、DMS 6200型动态热机械分析仪、D/MAX-B型X射线衍射仪、MTS-810型液压私服万能材料试验机、XJU-2.8型悬臂梁冲击试验机和XHS型邵氏硬度计。

1.2 试样制备

采用2种方法制备氧化石墨烯/环氧树脂胶粘剂。（1）乳化分散工艺，根据成分配比将石墨烯/环氧树脂进行乳化机乳化6 min后，在氧化石墨烯/环氧树脂中加入总质量50%的聚酰胺，混合均匀后在烘箱中进行58 ℃/128 min的预热处理，取出后搅拌均匀并排出内部气泡等，搅拌8 min后倒入聚四氟乙烯模具中，进行128 ℃/148 min的加热固化处理，得到氧化石墨烯/环氧树脂胶粘剂固化物。（2）超声分散工艺，根据成分配比将氧化石墨烯/环氧树脂进行28 min的超声分散处理，在石墨烯/环氧树脂中加入总质量50%的聚酰胺，混合均匀后在烘箱中进行58 ℃/128 min的预热处理，取出后搅拌均匀并排出内部气泡等，搅拌8 min后倒入聚四氟乙烯模具中，进行128 ℃/148 min的加热固化处理，得到氧化石墨烯/环氧树脂胶粘剂固化物。其中，氧化石墨烯添加量都使用质量百分数，如2.0%GO是指氧化石墨烯质量百分数为2%。

1.3 测试方法

采用D/MAX-B型X射线衍射仪对氧化石墨烯、石墨烯和环氧树脂进行X射线衍射分析；将胶粘剂固化物加工成25 mm× 10 mm样条，在DMS 6200型动态热机械分析仪上进行动态力学性能测试［10］，升温速率设定为3 ℃/min；室温拉伸力学性能测试在MTS-810型液压私服万能材料试验机上进行［11］，拉伸速率为2 mm/min，以3组试样平均值作为测试结果；室温冲击性能测试采用XJU-2.8型悬臂梁冲击试验机进行测试，结果取3组试样平均值；硬度测试采用XHS型邵氏硬度计进行，测试结果取3组平均值。

2 试验结果与分析

图1为氧化石墨烯（GO）、石墨烯（GR）和环氧树脂（EP）的X射线衍射分析。对比分析可知，石墨烯在（002）晶面出现了峰宽较大的衍射峰，而氧化石墨烯中对应位置的衍射峰消失，且在（001）晶面出现了明显衍射峰，根据布拉格方程计算［12］可以得到氧化石墨烯的片层间距约为0.79 nm，这主要是因为石墨在经过剥离氧化后，羧基、羟基等基团被引入到石墨片层上所致［13］。

由图1可知，环氧树脂中存在一个较大的衍射峰和较小的衍射峰，与石墨烯和氧化石墨烯明显不同。

图2为氧化石墨烯含量对胶粘剂储能模量的影响。

由图2可知，在温度为40 ℃时，环氧树脂的储能模量为1 099 MPa，而对应温度下氧化石墨烯含量为2%时胶粘剂的储能模量为1 870 MPa，相较于石墨烯掺杂改性前提高了70.15%。这主要是因为氧化石墨烯和环氧树脂可以发生交互作用并增强储能模量［14-16］。

图3为乳化分散工艺下氧化石墨烯含量对胶粘剂抗拉强度的影响。

由图3可知，在乳化分散工艺下，改性胶粘剂固化材料的抗拉强度会随着氧化石墨烯含量增加先增后减，在氧化石墨烯含量为2.0%时取得抗拉强度最大值。

图4为超声分散工艺下不同氧化石墨烯含量改性胶粘剂的抗拉强度。

由圖4可知，在胶粘剂中加入的氧化石墨烯含量在1.0%及以下时，氧化石墨烯改性胶粘剂材料的抗拉强度会逐渐增大，继续增加氧化石墨烯含量会使得胶粘剂的抗拉强度降低；当继续增加氧化石墨烯含量至1.4%时，胶粘剂的抗拉强度又会产生一定程度提高，之后整体呈现逐渐降低的趋势。

图5为乳化分散工艺和超声分散工艺下不同氧化石墨烯含量的胶粘剂冲击强度。

由图5可知，乳化分散工艺和超声分散工艺下氧化石墨烯改性胶粘剂的冲击强度整体随着氧化石墨烯含量增加而先增后减；在乳化分散工艺下，氧化石墨烯含量为1.8%时取得冲击强度最大值；在超声分散工艺下，氧化石墨烯含量为1.8%时取得最大值。此外，在相同氧化石墨烯含量下，乳化分散工艺下氧化石墨烯改性胶粘剂的冲击强度高于超声分散工艺下的胶粘剂。因此，在氧化石墨烯改性胶粘剂的分散工艺中，乳化分散工艺对氧化石墨烯的分散效果会优于超声分散工艺。

图6为乳化分散工艺和超声分散工艺下不同氧化石墨烯含量的胶粘剂的硬度。乳化分散工艺和超声分散工艺下氧化石墨烯改性胶粘剂的硬度会随着氧化石墨烯含量增加先增后减小；在乳化分散工艺下，氧化石墨烯含量为1.8%时取得硬度最大值；在超声分散工艺下，氧化石墨烯含量为1.8%时取得硬度最大值。这主要是因为在胶粘剂中加入氧化石墨烯，会由于氧化石墨烯的表面活性位点较多而与环氧树脂产生键合作用［22］，对基体产生增强作用而提高了硬度，但是如果氧化石墨烯过多，局部产生的偏聚效果会引发应力集中，造成裂纹萌生等并降低硬度［23］。此外，乳化分散工艺下氧化石墨烯改性胶粘剂的硬度高于超声分散工艺下的胶粘剂。氧化石墨烯含量对胶粘剂冲击强度的影响规律与对胶粘剂硬度的影响规律相同，即氧化石墨烯含量为1.8%时具有较高的冲击强度和硬度。

3 结语

（1）在乳化分散工艺下，胶粘剂固化材料的抗拉强度会随着氧化石墨烯含量增加先增后减，在氧化石墨烯质量分数为2.0%时取得抗拉强度最大值；

（2）在相同氧化石墨烯含量下，乳化分散工艺下氧化石墨烯改性胶粘剂的冲击强度高于超声分散工艺下的胶粘剂；

（3）随着氧化石墨烯含量的增加，乳化分散工艺和超声分散工艺下氧化石墨烯改性胶粘剂的硬度度整体呈现先增加后减小的趋势；在乳化分散工艺下，氧化石墨烯质量分数为1.8%时取得硬度最大值；在超声分散工艺下，氧化石墨烯质量分数为1.8%时取得硬度最大值。

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收稿日期：2023-10-29；修回日期：2024-01-25

作者简介：郭振东（1983-），男，硕士，副教授，研究方向：体能训练器材等;E-mail：guozdong813@sina.com

基金项目：2022年陕西省科技厅非基础科学研究基金项目（项目编号：2022KRM017）。

引文格式：郭振东，李 翔.体能训练器械用胶粘剂的改性与性能研究［J］.粘接，2024，51（3）：11-14.