基于温度依赖二维相关傅里叶变换红外光谱法的丝纤维/氧化石墨烯复合材料快速鉴别

《RSC Advances》：Rapid discrimination of graphene oxide in a silk fiber/GO composite by temperature-dependent two-dimensional correlation FT-IR spectroscopy

　　

本研究通过给家蚕幼虫喂食氧化石墨烯（GO），直接获得丝纤维/GO复合材料。研究人员采用温度依赖傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、二阶导数分析及二维（2D）相关FT-IR光谱，探究该复合材料中GO与丝纤维的键合作用，并结合扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）对其进行物理表征。温度依赖二阶导数FT-IR光谱显示，增强型丝纤维/GO复合材料在40 °C时出现位于1053 cm?1的GO特征吸收带，证实GO成功掺入丝纤维基体。对该材料温度依赖FT-IR光谱的二维相关分析表明，其异步相关强度较纯丝纤维降低1.7倍，且相关峰数量显著减少，提示复合材料中的GO随温度升高发生热还原，从而提升热稳定性。TGA结果显示，丝纤维/GO复合材料的分解温度高于纯丝纤维，与温度依赖二维相关分析结果一致。

研究背景与意义

石墨烯因其优异的电学、光学、热学与力学性能，成为传感器、晶体管及电极等领域的理想材料，而将石墨烯及其衍生物作为填料引入聚合物基体以提升性能是当前研究热点。丝纤维作为一种生物高分子，具备良好的生物相容性、可降解性及高机械耐久性，在环保领域具有广阔应用前景。已有研究表明，通过家蚕喂食法可将碳纳米材料引入丝纤维中，改善其力学与功能特性。然而，如何快速、准确地鉴别复合材料中微量GO的存在并解析其与基体的界面相互作用机制，仍是研究难点。为此，研究人员开展本研究，旨在利用温度依赖二维相关FT-IR光谱技术实现丝纤维/GO复合材料中GO的快速鉴别，并揭示其热稳定性提升机制，相关成果发表于《RSC Advances》。

关键技术方法

研究采用家蚕喂食法制备丝纤维/GO复合材料，以未喂食GO的丝纤维为对照。关键技术包括：利用温度依赖FT-IR光谱采集30~330 °C范围内样品的红外光谱变化；通过二阶导数处理解析重叠谱峰；基于MATLAB函数计算同步与异步二维相关光谱，分析基团振动响应顺序；结合SEM观察形貌、TGA评估热稳定性、单纤维力学测试表征力学性能。所有样品均来自家蚕饲养实验所得茧丝，经脱胶处理后用于测试。

研究结果

3.1 丝纤维性能表征

SEM显示，丝纤维与丝纤维/GO复合材料的平均直径分别为12.2 μm和11.3 μm，GO掺入未显著改变纤维形貌。力学测试表明，复合材料拉伸强度达580 MPa，杨氏模量为35.9 GPa，较纯丝纤维（430 MPa、29.4 GPa）显著提升。TGA结果显示，复合材料起始失重温度（291.2 °C）与峰值降解温度（313.4 °C）均高于纯丝纤维（280.7 °C、305.6 °C），证实GO提升了材料热稳定性。

3.2 温度依赖FT-IR光谱解析

温度依赖FT-IR光谱显示，纯丝纤维光谱强度在250 °C以上保持稳定，而复合材料光谱强度持续变化，表明其热稳定性更高。酰胺I（1635 cm^?1）、II（1519 cm^?1）、III（1230 cm^?1）带的强度变化温度点显示，纯丝纤维仅在252 °C出现吸收变化峰，复合材料则在252 °C、272 °C、312 °C出现三个变化峰。二阶导数光谱进一步揭示，复合材料在40 °C时出现GO特征C–O–C基团吸收峰（1053 cm^?1），且该峰与1123 cm^?1峰在50 °C同时消失，提示GO与丝纤维间分子间键随温度升高减弱或断裂。此外，复合材料在1650~1500 cm^?1区域的C=C骨架振动峰（1570 cm^?1）强度随温度升高而增加，伴随C–O峰减弱，证实GO在加热过程中发生热还原。拉曼光谱在复合材料沉淀物中检测到GO特征D带（1346 cm^?1）与G带（1584 cm^?1），进一步验证GO成功掺入。

3.3 二维相关FT-IR分析

纯丝纤维的二维相关光谱显示多个异步相关峰，对应酰胺带及氨基酸残基振动的有序变化。相比之下，复合材料的异步相关强度降低1.7倍，且相关峰数量显著减少，表明其受热时红外吸收带强度变化更小，结构更稳定。通过解析相关峰顺序发现，复合材料的热响应首先发生在GO环氧基C–O伸缩振动（1203 cm^?1）与丝纤维甘氨酸-丙氨酸单元C–C骨架振动（990 cm^?1），随后才是丝纤维酰胺结构的依次变化，证实GO通过界面相互作用重排丝纤维结构，提升热稳定性。

讨论与结论

本研究证实，温度依赖二维相关FT-IR光谱可有效鉴别丝纤维/GO复合材料中的微量GO，并揭示GO通过热还原与界面相互作用提升复合材料热稳定性的机制。TGA结果与光谱分析相互印证，表明该方法在GO复合材料表征中具有独特优势。研究为功能化丝纤维的设计制备提供了理论依据，未来需进一步优化GO掺杂量以实现目标力学性能调控。