一種提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料化學領域，特別是涉及一種提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶體結構，是構建其他維數(shù)碳材料的基本結構單元。石墨烯獨特的晶體結構使它具有優(yōu)異的力學和電學性能，且由于二維片狀的外觀形貌及超大比表面積，使其易與基體樹脂緊密接觸，被認為是聚合物樹脂基復合材料的理想增強材料。
[0003]目前石墨烯增強聚合物樹脂基復合材料的制備主要通過共混和原位聚合法，但結構微小的片狀石墨烯由于片層間較強的范德華力極易導致石墨烯層層堆疊、團聚，使其與基體樹脂的實際混合過程難以控制，造成復合材料中石墨烯片的分布狀態(tài)無法有效調控，嚴重影響復合材料的結構穩(wěn)定及性能增強。因此為發(fā)揮石墨烯的多功能特性，可將石墨烯組裝成穩(wěn)定的三維石墨烯結構體宏觀材料，使石墨烯片始終保持穩(wěn)定有序的分布狀態(tài)。并以此宏觀材料作為增強體，與聚合物復合，制備出三維石墨烯結構體增強的聚合物復合材料，結果證明其力學性能有所提升。但由于三維石墨烯結構體的結構與其聚合物復合材料力學性能之間的構效關系尚不明確，導致三維石墨烯結構體/聚合復合材料力學性能的有效提高受到嚴重制約。因此，通過調控三維石墨烯結構體的形態(tài)及孔徑結構等參數(shù)，實現(xiàn)復合材料結構演化及性能顯著提升至關重要。
[0004]本發(fā)明為增強三維石墨烯結構體/聚合物復合材料的力學性能，提出通過減小三維石墨烯結構體的孔徑及孔壁厚度，增加其體密度，提高作為增強體的三維石墨烯結構體在復合材料中的含量，優(yōu)化復合材料的力學性能。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供了一種減小氧化石墨烯片的粒徑，降低三維石墨烯結構體的孔徑，以增強三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法。該方法中三維石墨烯結構體的孔徑減小，體密度增大，有效提高了三維石墨烯結構體/聚合物復合材料中石墨烯的含量，同時三維石墨烯結構體的構建調控了石墨烯片在聚合物復合材料中的分布狀態(tài)，使三維石墨烯結構體/聚合物復合材料的力學性能大幅提升。
[0006]提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法主要通過以下步驟實現(xiàn):
[0007](I)對氧化石墨烯片進行切割、篩選，縮小氧化石墨烯片的直徑和厚度，得到小粒徑的氧化石墨烯片，并配制得到合適濃度的氧化石墨烯溶液；
[0008](2)以上述氧化石墨烯溶液為前驅體，選擇多活性端基化合物為交聯(lián)劑和還原劑，構建小孔徑的三維石墨烯結構體，其中多活性端基化合物為聚酰胺胺、對苯二胺、聚乙烯亞胺、聚氧乙稀基二元胺等；
[0009](3)以上述步驟制備的小孔徑三維石墨烯結構體作為增強體，填充聚合物樹脂，復合成型，制備得到高力學性能的三維石墨烯結構體/聚合物復合材料。
[0010]上述步驟⑴中切割得到的氧化石墨烯片直徑為0.05?150 μ m，厚度為0.34?6nm，配制的氧化石墨稀溶液濃度為0.01?30mg/mL。
[0011]上訴步驟(3)中用于制備三維石墨烯結構體/聚合物復合材料的聚合物樹脂為環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷、酞菁樹脂、聚乳酸樹脂、FB樹脂、聚酯樹脂等。
【具體實施方式】
[0012]下面結合具體實施例對本發(fā)明提供的一種提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法進行詳細的說明。
[0013]實施例1:
[0014]對氧化石墨烯溶液進行細胞粉碎切割，得到粒徑大約為35 μ m的氧化石墨烯，制備濃度為0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液400mL，滴加0.2g聚酰胺胺，去除多余的溶劑，收集得到的粘稠物，在液氮氛圍下預冷凍2h，-50°C下真空冷凍干燥24h，即得到多孔狀的氧化石墨烯與聚酰胺胺混合體。180°C真空加熱反應12h，即在模具中形成三維石墨烯結構體，經壓汞測試其孔徑大小范圍為22?28 μπι。
[0015]以制備的三維石墨烯結構體為增強體，通過樹脂傳遞模塑成型的方法，真空打壓灌注以100: 70: I的質量比混合的環(huán)氧樹脂、固化劑和促進劑。然后在90°C/3h、120°C /3h、150°C /5h的條件下加熱固化成型，得到一定孔徑的高強三維石墨烯結構體/環(huán)氧樹脂復合材料，測試其平均壓縮強度達到232.4MPa。
[0016]實施例2:
[0017]增加細胞粉碎的功率和時間，切割得到粒徑大約為14 μ m的氧化石墨烯，制備濃度為3mg/mL的氧化石墨稀水溶液80mL，按質量比1:1加入聚酰胺胺0.24g，待混合均勾、絮凝完全后離心去除多余的溶劑，并將離心產物在液氮氛圍下預凍3h，-50°C下真空冷凍干燥24h，即得到多孔狀的氧化石墨烯與聚酰胺胺混合體。并在180°C下真空加熱反應12h，制備形態(tài)完整的三維石墨烯結構體，經掃描電鏡統(tǒng)計及壓汞測試結果分析得到的孔徑范圍為9 ?12 μ mD
[0018]將三維石墨烯結構體置于模具中，使其處于完全密封的真空環(huán)境中，以100: 70: I的質量比配制環(huán)氧樹脂、固化劑和促進劑，真空打壓，使流動性較好的環(huán)氧樹脂充分浸潤、填充三維石墨烯結構體，然后在90°C /3h、120°C /3h、150°C /5h的條件下加熱固化成型，得到較小孔徑的三維石墨烯結構體增強環(huán)氧樹脂復合材料，并表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能，壓縮強度高達341.6MPa，相比于孔徑為22?28 μm的三維石墨烯結構體增強的環(huán)氧樹脂復合材料，明顯提高了 47.0%。
[0019]實施例3:
[0020]濾膜過濾、分離利用細胞粉碎切割的氧化石墨烯，得到粒徑約為8 μ m的氧化石墨稀，作為前驅體材料，配制得到4mg/ml的氧化石墨稀水溶液50mL，按質量比為1:1的比例混合加入聚酰胺胺0.2g，超聲混合均勻，離心去除多余的溶劑，所得離心產物在液氮氛圍下預凍2h，-50°C下真空冷凍干燥24h，并將得到的多孔狀氧化石墨烯與聚酰胺胺混合物在180°C真空加熱反應12h，制備三維石墨稀結構體宏觀材料，測試其孔徑為2?7 μπι。
[0021]將三維石墨烯結構體宏觀材料置于模具中，使其處于完全密封的環(huán)境中，采用真空栗抽吸模具，使熱固性的環(huán)氧樹脂、固化劑和促進劑(質量比100: 70: I)的混合液充分浸潤、填充處于負壓狀態(tài)下的三維石墨烯結構體，然后在90°C /3h、120°C /3h、150°C /5h的條件下加熱固化成型，獲得三維石墨烯結構體/環(huán)氧樹脂復合材料，測試證明其壓縮強度得到有效提高，相比于孔徑為22?28 μ m的三維石墨烯結構體增強的環(huán)氧樹脂復合材料增長了 58.8%。
【主權項】
1.一種提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法，其特征在于減小氧化石墨烯片粒徑，降低三維石墨烯結構體的孔徑，以優(yōu)化三維石墨烯結構體/聚合物復合材料的力學性能。2.根據(jù)權利要求1所述的提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法，其特征在于，所述的方法具體按以下步驟完成: (1)對氧化石墨烯片切割、篩選，得到直徑小、厚度薄的小粒徑氧化石墨烯，并配制合適濃度的溶液； (2)以上述氧化石墨烯溶液為前驅體，選擇多活性端基化合物為交聯(lián)劑和還原劑，構建小孔徑的三維石墨烯結構體，其中多活性端基化合物為聚酰胺胺、對苯二胺、聚乙烯亞胺、聚氧乙稀基二元胺等； (3)將制備的小孔徑三維石墨烯結構體作為聚合物的增強體，復合成型，制備高力學性能的三維石墨烯結構體/聚合物復合材料。3.根據(jù)權利要求1所述的提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法，其特征在于，所述的氧化石墨稀片直徑為0.05?150 μπι，厚度為0.34?6nm，氧化石墨稀溶液濃度為0.01?30mg/mL。4.根據(jù)權利要求1所述的提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法，其特征在于所述的用于制備三維石墨烯結構體/聚合物復合材料的聚合物為環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷、酞菁樹脂、聚乳酸樹脂、FB樹脂、聚酯樹脂等。
【專利摘要】一種提高三維石墨烯結構體/聚合物復合材料力學性能的方法，主要通過切割氧化石墨烯片的粒徑，降低構建的三維石墨烯結構體的孔徑，以此作為增強體，與聚合物樹脂復合成型，提升三維石墨烯結構體/聚合物復合材料的力學性能。本發(fā)明涉及的三維石墨烯結構體孔徑小，體密度大，使石墨烯在聚合物復合材料中的含量明顯增加，有效提高了三維石墨烯結構體/聚合物復合材料的力學性能。同時，三維石墨烯結構體保持了石墨烯片在復合材料中穩(wěn)定有序的分布狀態(tài)，協(xié)同提高了三維石墨烯結構體/聚合物復合材料的力學性能。
【IPC分類】C08K9/04, C08K3/04, C08L63/00
【公開號】CN105111690
【申請?zhí)枴緾N201510644425
【發(fā)明人】徐志偉, 倪亞, 吳騰飛, 陳磊, 滕堃玥
【申請人】天津工業(yè)大學
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年9月25日