CN102585259A - 一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法。在真空度≤10Pa，温度为保持热固性树脂为液态，且粘度≤1.5Pa.s的条件下，使膨胀石墨内部空隙产生负压，有利于树脂进入膨胀石墨的片层结构中间，并充分地浸润石墨片层结构；通过超声搅拌，使膨胀石墨的片层剥离得到膨胀石墨薄片，同时，热固性树脂与膨胀石墨片表面的基团能形成物理或化学键作用，再在微波条件下进行固化处理，得到一种分散均匀的膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料。本发明克服了溶剂法制备膨胀石墨复合材料存在的膨胀石墨薄片易团聚及溶剂对环境污染的不足，具有简单快捷、环保节能的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种树脂基复合材料的制备方法，具体涉及一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法。
背景技术
随着信息、电子和电力工业的快速发展，由于膨胀石墨薄片具有大的径厚比、较高的电导率、简单的制备工艺以及低廉的价格，膨胀石墨薄片/聚合物复合材料作为功能材料（如导电材料、电磁屏蔽材料、抗静电材料、高容量电池等）在很多领域显示出了广阔的应用前景。
虽然大多数膨胀石墨薄片/聚合物复合材料以热塑性聚合物为基体树脂，但是热固性树脂以其优良的成型工艺和反应活性使之在制备纳米复合材料方面显示出明显的优势，并在膨胀石墨/聚合物复合材料研究中日渐引起人们的关注。
众所周知，对无机/有机纳米复合材料而言，无机纳米材料在有机基体树脂中的分散性是决定复合材料性能的关键因素。膨胀石墨薄片不仅具有巨大的比表面积和很高的径厚比，而且片层之间存在较强的范德华引力，这些特性都使膨胀石墨片易于团聚，不能在树脂基体中良好分散。因此膨胀石墨/聚合物复合材料的研发工作大多集中在如何改善膨胀石墨/聚合物中的分散性。
为了改善膨胀石墨片在聚合物中的分散性，人们采用了多种物理和化学的方法，目前主要的物理分散方法主要有插层复合法和共混法两种。由于树脂粘度较大，直接采用共混或者熔体插层方法很难使树脂进入膨胀石墨的片层结构，这样就会导致膨胀石墨薄片的分散不均匀，并且得到的石墨片较厚。
溶剂法制备膨胀石墨复合材料也有两种不同的方法，两种方法都是先把膨胀石墨在溶剂中制得膨胀石墨薄片。而后采取两种不同的步骤。其一是干燥除去溶剂后，再将膨胀石墨薄片加入树脂中分散。这种方法的缺点是尽管在溶剂中形成了膨胀石墨薄片，但是在干燥过程中这些膨胀石墨薄片会发生团聚，因此这些团聚的膨胀石墨薄片加入树脂后，并不容易获得良好的分散性。第二种方法是直接把膨胀石墨薄片和溶剂的混合物直接加入树脂，在树脂预聚过程中除去溶剂，显然。很难把溶剂清除干净，从而一定程度上影响复合材料的性能。此外，需要说明，溶剂法使用溶剂虽然会使膨胀石墨片在树脂中的分散性得到一定的改善，但是会有很多溶剂无法回收，造成对环境的污染。
就化学方法而言，目前的主要方法就是氧化石墨还原法，虽然这种方法可以得到很薄的膨胀石墨薄片，但是这种方法过程复杂、周期长，并且制备过程中会释放大量有毒气体，限制了其应用范围。另外，在热固性树脂的热固化过程中，膨胀石墨薄片也会有较严重的团聚，这也是一个亟待解决的难题。
显然，如何克服现有技术的不足，在制备过程中不引入溶剂或其它物质，即仅以树脂和膨胀石墨片为基础的前提下，只通过工艺的设计来获得膨胀石墨片均匀分散的膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料具有显著的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种膨胀石墨片不团聚，分散均匀，且无环境污染的膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法。
实现本发明目的的技术方案是：提供一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）按质量计， 将100份呈液态的环氧树脂或它的改性树脂，与X 份膨胀石墨混合均匀，0＜X≤1.7，在真空度≤10Pa，温度为保持环氧树脂为液体，且粘度≤1.5Pa.s的条件下，得到分散液A；
（2）在步骤（1）的温度条件下，对分散液A进行超声搅拌处理3～5小时；
（3）加入固化剂，混合均匀，得到分散液B；
（4）将分散液B倒入模具中，在频率为2.45Hz、功率为700W的微波条件下进行固化，再经后处理，即得到一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料。
一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）按质量计， 将100份呈液态的热固性树脂体系与X 份膨胀石墨混合均匀，0＜X≤1.7，在真空度≤10Pa，温度为保持热固性树脂体系为液体，且粘度≤1.5Pa.s的条件下，得到分散液C；
（2）在步骤（1）的温度条件下，对分散液C进行超声搅拌处理3～5小时，得到分散液D；
（3）将分散液D倒入模具中，在频率为2.45Hz、功率为700W的微波条件下进行固化，再经后处理，即得到一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料。
所述的呈液态的热固性树脂体系为环氧树脂与其固化剂的组合。
所述的呈液态的热固性树脂体系为具有自身热固化性能的树脂，具体为双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂以及它们的改性树脂。
本发明的原理是：在真空条件下，膨胀石墨的内部空隙产生负压，有助于树脂进入膨胀石墨的片层结构中间，并充分地浸润石墨片层结构；再辅助超声搅拌，使膨胀石墨的片层剥离得到膨胀石墨薄片。由于树脂中的基团可与膨胀石墨片层中的羟基形成氢键，因此，已经分散了的膨胀石墨薄片上吸附有树脂；这些树脂的存在使膨胀石墨薄片不易再发生团聚，从而在不引入溶剂的前提下，确保了膨胀石墨薄片在树脂基体中具有优良的分散性。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
（1）本发明在不引入溶剂的前提下，通过抽真空和超声搅拌工艺，确保了膨胀石墨薄片在树脂基体中不团聚，分散均匀，且无环境污染。
(2)采用微波固化成型复合材料，与热固化方法相比，不但具有简单快捷、环保节能的特点，而且可以加快复合材料的固化速度，减少膨胀石墨薄片团聚的可能性。
附图说明
附图1是本发明实施例1制得的膨胀石墨的红外谱图；
附图2是本发明实施例1提供的膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料断面的SEM图（放大1000倍）；
附图3是本发明比较例1提供的膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料断面的SEM图（放大1000倍）；
附图4是本发明比较例2提供的膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料断面的SEM图（放大1000倍）。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
1）将1g可膨胀石墨放入50 mL瓷坩埚中，放入900℃的马弗炉中,停留30s，取出，得到膨胀石墨。
参见附图1，它是本实施例提供的膨胀石墨的红外谱图。可以看到，1098cm-1和1395cm-1处分别为C–O的伸缩振动峰和–OH的弯曲振动峰，表明膨胀石墨表面存在羟基活性官能团。
2）10g双酚A型环氧树脂（牌号E51，环氧值0.51摩尔/100g，在70℃下的粘度约为0.4Pa.s）与0.17g膨胀石墨混合，在70℃下超声振荡辅助搅拌均匀，得到混合液。
3）在70℃下，将混合液放入真空烘箱中，抽真空（真空度6 Pa）30min，得到分散液A。
4）在70℃下，对分散液A超声振荡辅助搅拌5h，得到膨胀石墨薄片与环氧树脂的分散液B。
5）在70℃下，在分散液B中加入0.5g的固化剂（2-乙基-4-甲基咪唑），超声振荡辅助搅拌混合物5min，得到分散液C。
6）将分散液C倒入模具，而后放入微波炉中，用700W功率，2.45G Hz微波间歇辐照2min，间歇时间为15秒，使其固化，得到固化物；对固化物在150℃的温度下进行4h的后处理，制得一种膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料，其断面的SEM照片见附图2。
参见附图2，它是本实施例提供的膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料断面的SEM图（放大1000倍），可以观察到膨胀石墨薄片均匀分散在基体中，未见明显的团聚。其原理是：在真空条件下，膨胀石墨内部空隙产生负压，使树脂进入膨胀石墨的片层结构中间，并充分地浸润石墨片层结构；同时，环氧树脂的羟基也可以与膨胀石墨片层中的羟基形成氢键，因此，已经分散了的膨胀石墨薄片上吸附有树脂，这些树脂的存在使得膨胀石墨薄片不易再发生团聚，从而确保了膨胀石墨薄片在树脂基体中具有优良的分散性。与热固化方法相比，采用微波固化成型复合材料加快了复合材料的固化速度，大大减少了膨胀石墨薄片团聚的可能性。
比较例1的制备：
按本实施例步骤1的方法制备膨胀石墨，称取5g膨胀石墨放置于250mL的烧杯中，倒入约150mL的丙酮，然后将其超声振荡处理8h。开启油浴锅调至温度为80℃，将烧杯放置于80℃油浴中加热，直到石墨和丙酮的混合物成浆状取出，放置到温度为90℃的真空干燥箱中，抽真空120min以除去溶剂。待膨胀石墨薄片冷却后，即得到膨胀石墨薄片。
将10g双酚A型环氧树脂（牌号E51）与0.17g膨胀石墨薄片在70℃下混合，采用超声振荡辅助搅拌5h，得到膨胀石墨薄片与环氧树脂的分散液A。
在70℃下，在分散液A中加入0.5g的固化剂（2-乙基-4-甲基咪唑），超声振荡辅助搅拌混合物5min，得到分散液B。
将分散液B倒入模具中，将模具放入烘箱中，按照80℃/2h+100℃/2h+120℃/2h工艺进行固化，得到固化物。将固化物在150℃后处理4h，即制得到一种膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料，其断面的SEM照片见附图3。
比较例2的制备：
按比较例1的方法制备分散液B；将分散液B倒入模具，将模具放入微波炉中，用700W功率，2.45G Hz微波间歇辐照2min，间歇时间为15秒，使其固化，得到固化物；将固化物在150℃后处理4h，即制得到一种膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料。其断面的SEM照片见附图4。
参见附图3，它是比较例1制备的膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料断面的SEM图（放大1000倍），可以观察到膨胀石墨薄片有很严重的团聚。这是因为采用溶剂法制备膨胀石墨薄片，在除去溶剂的过程中薄片会发生二次团聚，从而导致树脂很难通过进入石墨片层结构而将片层分开。此外，由于热固化方式使得环氧树脂凝胶所需的时间相对较长，从而膨胀石墨继续团聚的机会较大。以上因素的综合作用，造成了膨胀石墨薄片在树脂中以严重团聚的方式存在。
参见附图4，它是比较例2制备的膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料断面的SEM图（放大1000倍）。可以看到，附图4中的膨胀石墨薄片的分散性较优于附图3，但是仍有较严重的团聚。这是因为利用微波固化缩短了环氧树脂的固化时间，在一定程度上减少了团聚，但是用溶剂法制备膨胀石墨薄片时，在除去溶剂的过程中薄片会发生的二次团聚还是难以避免。因此，附图4中的膨胀石墨薄片的分散性虽优于附图3，但是仍有较严重的团聚。
实施例2
1) 将1g可膨胀石墨放入50 mL瓷坩埚中，放入微波炉中,用700W功率，频率2.45G Hz的微波辐照10秒，取出，得到膨胀石墨。
2)10g双酚A型环氧树脂（牌号E51）与0.17g膨胀石墨混合，在70℃下超声振荡辅助搅拌均匀，得到混合液。
3)在70℃下，将混合液放入真空烘箱中，抽真空（真空度10 Pa）30min，得到分散液A；
4)在70℃下，对分散液A超声振荡辅助搅拌5h，得到膨胀石墨薄片与环氧树脂的分散液B；
5)在70℃下，在分散液B中加入0.5g的固化剂（2-乙基-4-甲基咪唑），超声振荡辅助搅拌混合物5min，得到分散液C；
6)将分散液C倒入模具，而后放入微波炉中，用700W功率，2.45G Hz微波间歇辐照2min，间歇时间为15秒，使其固化，得到固化物；对固化物在150℃的温度条件下进行后处理4h，即制得到一种膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料。
实施例3
1)将1g可膨胀石墨放入50 mL瓷坩埚中，放入900℃的马弗炉中,停留30秒，取出，得到膨胀石墨。
2)在室温下，按摩尔比1:1.4，将γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（牌号KH-560）和去离子水倒入三口烧瓶中混合；逐步滴加适量盐酸，同时不断搅拌，使其在室温下预水解15min左右；在55℃下冷凝回流7h，得无色透明液体；将此液体放入60℃真空干燥箱，真空干燥7h，得到无色（淡黄色）透明粘稠液体，其为超支化聚硅氧烷（记为HBPSi）。
3)按质量比1:0.86，将N,N′-4,4′二苯甲烷双马来酰亚胺(BDM）与二烯丙基双酚A（DBA）加入到烧杯中。在搅拌条件下，升温至135℃，反应40min后停止反应，冷却，得到BDM/DBA预聚体。
4)按质量比1.86:0.25，将BDM/DBA预聚体和双酚A型氰酸脂（CE）加入烧杯，于100℃下搅拌30min后，得到棕红色的透明液体，记为BD-CE。，
5)按质量比2.11:0.30，将BD-CE和HBPSi加入烧杯，于100℃下搅拌30min后，得到棕红色的透明液体，即为改性BD-CE树脂的预聚体。
6)10g改性BD-CE树脂的预聚体（在100℃下，改性BD-CE树脂的预聚体粘度约为0.5Pa.s）与0.17g膨胀石墨混合，在100℃下超声振荡辅助搅拌均匀得到混合液；再将混合液放入真空烘箱中，抽真空（真空度8 Pa）40min，得到分散液A；
7)在100℃下，对分散液A超声振荡辅助搅拌4h，得到膨胀石墨薄片与环氧树脂的分散液B；
8)将分散液B倒入模具，而后放入微波炉中，用700W功率，2.45G Hz微波间歇辐照30min，间歇时间为20秒，使其固化，得到固化物。
9)对固化物在200℃后处理4h，即制得到一种膨胀石墨薄片/改性双马来酰亚胺-氰酸酯树脂复合材料。
实施例4
1)按实施例2的第1）步骤制备膨胀石墨。
2)按实施例3的第2）～9）步骤，制备得到一种膨胀石墨薄片/改性双马来酰亚胺-氰酸酯树脂复合材料。
实施例5
1)按照实施例1的第1）步骤制备膨胀石墨。
2)10g双酚A型氰酸脂（在110℃下，氰酸脂粘度约为0.3Pa.s）与0.12g膨胀石墨混合，在110℃下超声振荡辅助搅拌均匀，得到混合液。在110℃下，将混合液放入真空烘箱中，抽真空（真空度7 Pa）5min，得到膨胀石墨与氰酸脂树脂的分散液A；
3)在100℃下，将分散液A超声振荡辅助搅拌3h，得到膨胀石墨薄片与氰酸脂树脂的分散液B；
4)将分散液B倒入模具，而后放入微波炉中，用700W功率，2.45G Hz微波间歇辐照30min，间歇时间为25秒，使其固化，得到固化物。
5)对固化物在240 ℃后处理4h，即制得到一种膨胀石墨薄片/氰酸脂树脂复合材料。
实施例6
1)按照实施例2的第1）步骤制备膨胀石墨。
2)按照实施例5的第2）～5）步骤制备，即制得到一种膨胀石墨薄片/氰酸脂树脂复合材料。
实施例7
1)按实施例1的第1）步骤制备膨胀石墨。
2)10g官能度环氧树脂（牌号TDE-85，环氧值0.90摩尔/100g，在90℃下的粘度约为0.4Pa.s）与0.21g膨胀石墨混合，在90℃下超声振荡辅助搅拌均匀，得到混合液。在90℃下，将混合液放入真空烘箱中，抽真空（真空度10 Pa）20min，得到膨胀石墨与环氧树脂的分散液A；
3)在90℃下，将分散液A超声振荡辅助搅拌4h，得到膨胀石墨薄片与环氧树脂的分散液B；
4)在90℃下，在分散液B中加入0.2g的固化剂（2-乙基-4-甲基咪唑），超声振荡辅助搅拌混合物5min，得到可固化膨胀石墨薄片与环氧树脂的分散液C；
5)将分散液C倒入模具，而后放入微波炉中，用700W功率，2.45G Hz微波间歇辐照10min，间歇时间为15秒，使其固化，得到固化物。
6)对固化物在200℃后处理4h，即制得到一种膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料。
实施例8
1)按实施例1的第1）步骤制备膨胀石墨。
2)10g双酚A型环氧树脂（牌号E51）与0.10g膨胀石墨混合，在70℃下超声振荡辅助搅拌均匀，得到混合液。在70℃下，将混合液放入真空烘箱中，抽真空（真空度10 Pa）30min，得到膨胀石墨与环氧树脂的将分散液A；
3)按照实施例2的第3）～6）步骤制备，即制得到一种膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料。
实施例9
1)将1g可膨胀石墨放入50mL瓷坩埚中，放入900℃的马弗炉中,停留30s，取出，得到热膨胀法制备的膨胀石墨。
2)将1g可膨胀石墨放入50mL瓷坩埚中，放入微波炉中,用700W功率，频率2.45G Hz的微波辐照10秒，取出，得到微波法制备的膨胀石墨。
3) 10g双酚A型环氧树脂（牌号E51）与0.17g热膨胀法制备的膨胀石墨和0.05g微波法制备的膨胀石墨混合，在70℃下超声振荡辅助搅拌均匀，得到混合液，在70℃下，将混合液放入真空烘箱中，抽真空（真空度6 Pa）30min，得到分散液A；
4)在70℃下，对分散液A超声振荡辅助搅拌5h，得到膨胀石墨薄片与环氧树脂的分散液B；
5)在70℃下，在分散液B中加入10g固化剂（甲基纳迪克酸酐），超声振荡辅助搅拌混合物5min，得到分散液C；
6)将分散液C倒入模具，而后放入微波炉中，用700W功率，2.45G Hz微波间歇辐照2min，间歇时间为15秒，使其固化，得到固化物；对固化物在150℃后处理4h，即制得到一种膨胀石墨薄片/环氧树脂复合材料
实施例10
1)将1g可膨胀石墨放入50 mL瓷坩埚中，放入900℃的马弗炉中,停留30s，取出，得到膨胀石墨。
2)按质量比7:3，在100℃将N,N′-4,4′二苯甲烷双马来酰亚胺和双酚A型氰酸脂混合，并在100℃下预聚 30min，即得到双马来酰亚胺-氰酸酯树脂。
3)10g双马来酰亚胺-氰酸酯树脂（在60℃下，该树脂粘度约为0.6Pa.s）与0.04g膨胀石墨混合，在60℃下超声振荡辅助搅拌均匀，得到混合液。在60℃下，将混合液放入真空烘箱中，抽真空（真空度7 Pa）40min，得到膨胀石墨与双马来酰亚胺-氰酸酯树脂的分散液A；
4)在60℃下，将分散液A超声振荡辅助搅拌3h，得到分散液B；
5)将分散液B倒入模具，而后放入微波炉中，用700W功率，2.45G Hz微波间歇辐照30min，间歇时间为25秒，使其固化，得到固化物。
对固化物在230℃后处理8h，即制得到一种膨胀石墨薄片/双马来酰亚胺-氰酸酯树脂合材料。
Claims (5)
1. 一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）按质量计， 将100份呈液态的环氧树脂或它的改性树脂，与X 份膨胀石墨混合均匀，0＜X≤1.7，在真空度≤10Pa，温度为保持环氧树脂为液体，且粘度≤1.5Pa.s的条件下，得到分散液A；
（2）在步骤（1）的温度条件下，对分散液A进行超声搅拌处理3～5小时；
（3）加入固化剂，混合均匀，得到分散液B；
（4）将分散液B倒入模具中，在频率为2.45Hz、功率为700W的微波条件下进行固化，再经后处理，即得到一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料。
2. 一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）按质量计， 将100份呈液态的热固性树脂体系与X 份膨胀石墨混合均匀，0＜X≤1.7，在真空度≤10Pa，温度为保持热固性树脂体系为液体，且粘度≤1.5Pa.s的条件下，得到分散液C；
（2）在步骤（1）的温度条件下，对分散液C进行超声搅拌处理3～5小时，得到分散液D；
（3）将分散液D倒入模具中，在频率为2.45Hz、功率为700W的微波条件下进行固化，再经后处理，即得到一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料。
3. 根据权利要求2所述的一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述的呈液态的热固性树脂体系为环氧树脂与其固化剂的组合。
4. 根据权利要求2所述的一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述的呈液态的热固性树脂体系为具有自身热固化性能的树脂。
5. 根据权利要求4所述的一种膨胀石墨薄片/热固性树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述的具有自身热固化性能的树脂为双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂以及它们的改性树脂。
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