CN104140639B - 一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,它涉及环氧树脂复合材料的制备方法。本发明的目的是要解决现有环氧树脂存在脆性大、抗冲击性差和易发生开裂现象的问题。步骤:一、化学氧化法制备石墨烯;二、石墨烯在环氧树脂中的分散;三、复合。优点:一、本发明制备方法简单,采用乙醇作为溶剂,避免使用有机溶剂,更加环保,而且乙醇易挥发易排除,对石墨烯/环氧树脂复合材料的制备不产生影响;二、与纯环氧树脂相比,本发明制备的石墨烯/环氧树脂复合材料拉伸强度提高了34.9%~124.8%,冲击强度提高了15.4%~105.1%,玻璃化转变温度提高了5℃~19℃。本发明可获得一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及环氧树脂复合材料的制备方法。
背景技术
环氧树脂(Epoxy Resin)是近些年来被广泛应用的一种高分子热固性合成材料,它具有优良的粘接性能、抗腐蚀性能和电绝缘性能等,已经被广泛的应用在结构粘接材料、耐腐蚀涂料、电气绝缘材料以及复合材料基体等方面。在电气电子、机械制造、化工防腐、船舶码头、航空航天等许多工业领域中发挥着重要的作用,是各种工业领域中不可或缺的基础材料之一。环氧树脂具有如此多的应用是由于其优异的力学性能,电绝缘性能,收缩率低,粘接性能好,耐化学性,良好的加工性能,价格低廉等特点。但是由于纯环氧树脂固化后分子链具有三维交联网络结构,因而存在脆性大、耐疲劳性差、抗冲击性差等缺点,在受到外界的冲击载荷作用时,易发生应力开裂现象,从而难以满足日益发展的工程技术要求,使其应用受到一定的限制,因此对环氧树脂的增强/增韧改性工作一直是中外研究的热门课题。
发明内容
本发明的目的是要解决现有环氧树脂存在脆性大、抗冲击性差和易发生开裂现象的问题,而提供一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法。
一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、化学氧化法制备石墨烯:①、将鳞片状石墨粉加入到容器中,再向容器中加入到质量分数为90%~98%的浓硫酸,将容器放入冰水浴中,在搅拌速度为250r/min~300r/min的条件下搅拌30min~60min;然后在搅拌速度为150r/min~200r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠,再在搅拌速度为150r/min~200/min的条件下反应2h~3h;再在室温和搅拌速度为150r/min~200r/min的条件下反应2h~4h;再在温度为35℃~40℃下水浴反应24h~30h;再向容器中加入质量分数为30%~35%的双氧水,得到粘稠状溶液;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90%~98%的浓硫酸的体积比为1g:(40mL~60mL);
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:(8~9);
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:(1~1.5);
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30%~35%的双氧水的体积比为1g:(3mL~5mL);
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离,得到沉淀物;再向沉淀物中加入质量分数为96%~99%的乙醇溶液,得到石墨烯/乙醇混合溶液;再使用质量分数为96%~99%的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤3次~5次,得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液;将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为60W~70W下超声4h~6h,得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液;
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(5mL~10mL);
二、石墨烯在环氧树脂中的分散:将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中,得到石墨烯/环氧树脂混合物;再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为40℃~60℃下真空干燥72h~144h,得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物;
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(10g~100g);
三、复合:①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为60W~70W下超声30min~60min,得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物;将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃~80℃烘箱中预热2h~3h,得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂;
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合,在搅拌速度为100r/min~150r/min的下搅拌4min~5min,得到石墨烯/环氧树脂预聚物;
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为50℃~65℃下预热120min~180min,得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具;
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具,再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中,在温度为70℃~80℃固化2h~3h,再在温度为125℃~135℃下反应2.5h~3.5h,再在150℃~160℃下反应1h~2h,得到石墨烯/环氧树脂复合材料。
本发明的优点:一、本发明制备方法简单,采用乙醇作为溶剂,避免使用有机溶剂,更加环保,而且乙醇易挥发易排除,对石墨烯/环氧树脂复合材料的制备不产生影响;
二、本发明采用超声分散对石墨烯/环氧树脂体系分散,此方法简单、易操作、分散效果较好,不需要添加任何表面修饰剂及偶联剂;
三、本发明采用原位聚合法制备石墨烯/环氧树脂复合材料,拉伸强度为42MPa~70MPa,冲击强度为4.5kJ/m2~8kJ/m2,玻璃化转变温度为110℃~124℃;与纯环氧树脂相比,本发明制备的石墨烯/环氧树脂复合材料拉伸强度提高了34.9%~124.8%,冲击强度提高了15.4%~105.1%,玻璃化转变温度提高了5℃~19℃。
本发明可获得一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法。
附图说明
图1是损耗因子随温度变化曲线图;图中1是试验一制备的纯环氧树脂的损耗因子随温度变化曲线图,2是试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗因子随温度变化曲线图,3是试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗因子随温度变化曲线图;
图2为试验一制备的纯环氧树脂的断面金相显微镜图;
图3为试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的断面金相显微镜图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式是一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、化学氧化法制备石墨烯:①、将鳞片状石墨粉加入到容器中,再向容器中加入到质量分数为90%~98%的浓硫酸,将容器放入冰水浴中,在搅拌速度为250r/min~300r/min的条件下搅拌30min~60min;然后在搅拌速度为150r/min~200r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠,再在搅拌速度为150r/min~200/min的条件下反应2h~3h;再在室温和搅拌速度为150r/min~200r/min的条件下反应2h~4h;再在温度为35℃~40℃下水浴反应24h~30h;再向容器中加入质量分数为30%~35%的双氧水,得到粘稠状溶液;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90%~98%的浓硫酸的体积比为1g:(40mL~60mL);
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:(8~9);
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:(1~1.5);
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30%~35%的双氧水的体积比为1g:(3mL~5mL);
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离,得到沉淀物;再向沉淀物中加入质量分数为96%~99%的乙醇溶液,得到石墨烯/乙醇混合溶液;再使用质量分数为96%~99%的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤3次~5次,得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液;将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为60W~70W下超声4h~6h,得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液;
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(5mL~10mL);
二、石墨烯在环氧树脂中的分散:将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中,得到石墨烯/环氧树脂混合物;再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为40℃~60℃下真空干燥72h~144h,得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物;
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(10g~100g);
三、复合:①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为60W~70W下超声30min~60min,得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物;将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃~80℃烘箱中预热2h~3h,得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂;
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合,在搅拌速度为100r/min~150r/min的下搅拌4min~5min,得到石墨烯/环氧树脂预聚物;
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为50℃~65℃下预热120min~180min,得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具;
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具,再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中,在温度为70℃~80℃固化2h~3h,再在温度为125℃~135℃下反应2.5h~3.5h,再在150℃~160℃下反应1h~2h,得到石墨烯/环氧树脂复合材料。
本具体实施方式的优点:一、本具体实施方式制备方法简单,采用乙醇作为溶剂,避免使用有机溶剂,更加环保,而且乙醇易挥发易排除,对石墨烯/环氧树脂复合材料的制备不产生影响;
二、本具体实施方式采用超声分散对石墨烯/环氧树脂体系分散,此方法简单、易操作、分散效果较好,不需要添加任何表面修饰剂及偶联剂;
三、本具体实施方式采用原位聚合法制备石墨烯/环氧树脂复合材料,拉伸强度为42MPa~70MPa,冲击强度为4.5kJ/m2~8kJ/m2,玻璃化转变温度为110℃~124℃;与纯环氧树脂相比,本具体实施方式制备的石墨烯/环氧树脂复合材料拉伸强度提高了34.9%~124.8%,冲击强度提高了15.4%~105.1%,玻璃化转变温度提高了5℃~19℃。
本具体实施方式可获得一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同点是:步骤二所述的环氧树脂为环氧树脂E-51、环氧树脂E-44或环氧树脂E-42。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是:步骤二所述的两相萃取的方法的具体操作步骤为:首先将石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,再进行搅拌,直至石墨烯/乙醇混合溶液中乙醇溶液由棕黄色变为无色,停止搅拌,再去除上层乙醇溶液,完成两相萃取。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是:步骤三①所述的固化剂为低分子聚酰胺651;所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt%。其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是:步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90%~98%的浓硫酸的体积比为1g:(50mL~60mL)。其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是:步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:9。其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是:步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1.5。其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是:步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30%~35%的双氧水的体积比为1g:(4mL~5mL)。其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是:步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(8mL~10mL)。其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是:步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(50g~100g)。其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下试验验证本发明的有益效果:
试验一:纯环氧树脂具体制备方法是按以下步骤完成的:
一、将50g环氧树脂E51和25g固化剂分别放入温度为60℃烘箱中预热2h,得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂;
二、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合,在搅拌速度为100r/min的下搅拌4min,得到石墨烯/环氧树脂预聚物;
三、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为60℃下预热150min,得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具;
四、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具,再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中,在温度为70℃固化2h,再在温度为125℃下反应2.5h,再在150℃下反应1.5h,得到纯环氧树脂;
步骤一所述的固化剂为低分子聚酰胺651;所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt%。
试验二:一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、化学氧化法制备石墨烯:①、将1.2g鳞片状石墨粉加入到容器中,再向容器中加入到质量分数为98%的浓硫酸,将容器放入冰水浴中,在搅拌速度为250r/min的条件下搅拌30min;然后在搅拌速度为150r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠,再在搅拌速度为200r/min的条件下反应2h;再在室温和搅拌速度为200r/min的条件下反应3h;再在温度为35℃下水浴反应24h;再向容器中加入质量分数为35%的双氧水,得到粘稠状溶液;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为98%的浓硫酸的体积比为1g:45mL;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:8;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1.5;
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为35%的双氧水的体积比为1g:4mL;
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离,得到沉淀物;再向沉淀物中加入质量分数为99%的乙醇溶液,得到石墨烯/乙醇混合溶液;再使用质量分数为99%的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤5次,得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液;将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为70W下超声5h,得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液;
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:10mL;
二、石墨烯在环氧树脂中的分散:将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中,得到石墨烯/环氧树脂混合物;再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为50℃下真空干燥72h,得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物;
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:33.33g;
三、复合:①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为70W下超声45min,得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物;将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃烘箱中预热2h,得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂;
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合,在搅拌速度为100r/min的下搅拌4min,得到石墨烯/环氧树脂预聚物;
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为60℃下预热150min,得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具;
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具,再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中,在温度为70℃固化2h,再在温度为125℃下反应2.5h,再在150℃下反应1.5h,得到石墨烯/环氧树脂复合材料;
步骤二所述的两相萃取的方法的具体操作步骤为:首先将石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,再进行搅拌,直至石墨烯/乙醇混合溶液中乙醇溶液由棕黄色变为无色,停止搅拌,再去除上层乙醇溶液,完成两相萃取;
步骤三①所述的固化剂为低分子聚酰胺651;所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt%。
试验三:一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、化学氧化法制备石墨烯:①、将1.2g鳞片状石墨粉加入到容器中,再向容器中加入到质量分数为98%的浓硫酸,将容器放入冰水浴中,在搅拌速度为250r/min的条件下搅拌30min;然后在搅拌速度为200r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠,再在搅拌速度为200/min的条件下反应2h;再在室温和搅拌速度为200r/min的条件下反应3h;再在温度为35℃下水浴反应24h;再向容器中加入质量分数为35%的双氧水,得到粘稠状溶液;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为98%的浓硫酸的体积比为1g:45mL;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:8;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1.5;
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为35%的双氧水的体积比为1g:4mL;
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离,得到沉淀物;再向沉淀物中加入质量分数为99%的乙醇溶液,得到石墨烯/乙醇混合溶液;再使用质量分数为99%的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤5次,得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液;将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为70W下超声5h,得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液;
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:10mL;
二、石墨烯在环氧树脂中的分散:将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中,得到石墨烯/环氧树脂混合物;再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为50℃下真空干燥144h,得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物;
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:33.33g;
三、复合:①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为70W下超声45min,得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物;将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃烘箱中预热2h,得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂;
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合,在搅拌速度为100r/min的下搅拌4min,得到石墨烯/环氧树脂预聚物;
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为60℃下预热150min,得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具;
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具,再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中,在温度为70℃固化2h,再在温度为125℃下反应2.5h,再在150℃下反应1.5h,得到石墨烯/环氧树脂复合材料;
步骤二所述的两相萃取的方法的具体操作步骤为:首先将石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,再进行搅拌,直至石墨烯/乙醇混合溶液中乙醇溶液由棕黄色变为无色,停止搅拌,再去除上层乙醇溶液,完成两相萃取;
步骤三①所述的固化剂为低分子聚酰胺651;所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt%。
试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的拉伸强度为42.8MPa,与试验一制备的纯环氧树脂的拉伸强度31.14MPa相比,提高了11.66MPa;试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的拉伸强度为65.29MPa,与试验一制备的纯环氧树脂的拉伸强度31.14MPa相比,提高了34.15MPa,力学性能有较大程度的提高;试验一制备的纯环氧树脂的冲击强度为3.9kJ/m2;试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的冲击强度为4.5kJ/m2;试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的冲击强度为7.9kJ/m2;试验二和试验三的力学性能与试验一相比均得到提高,这是由于石墨烯本身具有极其优异的力学性能,不但强度高而且韧性好,与环氧树脂复合后,由于其表面具有官能团能与环氧树脂形成良好的界面,随着石墨烯含量的增加,在复合材料中逐渐形成石墨烯的增强网络,施加在树脂上的载荷可以通过界面有效转移到了石墨烯上,阻止了应力集中,当负载超出弹性形变以后,石墨烯的加入还起到了钉扎位错、承载外力、消耗断裂能量的作用,并阻止基体裂纹扩展,因此表现出拉伸强度一定程度的提高。
图1是损耗因子随温度变化曲线图;图中1是试验一制备的纯环氧树脂的损耗因子随温度变化曲线图,2是试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗因子随温度变化曲线图,3是试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗因子随温度变化曲线图。
从图1中可以看出试验一制备的纯环氧树脂的峰位出现在105℃,而试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的峰位出现在124℃;试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的峰位出现在110℃;这是因为损耗因子的峰位可以代表材料的玻璃化转变温度,因此,试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度提高19℃,试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度提高5℃;这是因为一方面石墨烯自身具有良好的耐热性,同时石墨烯的加入对环氧树脂的固化反应有促进作用,使得交联密度和固化度提高同时,石墨烯的加入也使得自由体积减小,链段的运动能力下降;使其玻璃化温度向高温方向移动。
图2为试验一制备的纯环氧树脂的断面金相显微镜图;图3为试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的断面金相显微镜图。
从图2可以观察到试验一制备的纯环氧树脂固化物的断面整齐,裂纹分布均匀,有清晰的河流线,是典型的脆性断裂,说明纯环氧树脂固化物自身很脆,并且从图2中可以看出,形成的新表面少,也就是吸收冲击能少;
从图3可以看出,试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的断面明显不同,断面变得粗糙不平,从图3中看出,表面有明显的河流线,而且形成的新表面较试验一制备的纯环氧树脂明显增多,其吸收冲击性能的能力提高,从图中能明显看出石墨烯并没有出现团聚现象,说明石墨烯能够均匀的分散在环氧树脂中。
Claims (7)
1.一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,其特征在于一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法具体是按以下步骤完成的:
一、化学氧化法制备石墨烯:①、将鳞片状石墨粉加入到容器中,再向容器中加入质量分数为90%~98%的浓硫酸,将容器放入冰水浴中,在搅拌速度为250r/min~300r/min的条件下搅拌30min~60min;然后在搅拌速度为150r/min~200r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠,再在搅拌速度为150r/min~200/min的条件下反应2h~3h;再在室温和搅拌速度为150r/min~200r/min的条件下反应2h~4h;再在温度为35℃~40℃下水浴反应24h~30h;再向容器中加入质量分数为30%~35%的双氧水,得到粘稠状溶液;
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90%~98%的浓硫酸的体积比为1g:(40mL~60mL);
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:(8~9);
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:(1~1.5);
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30%~35%的双氧水的体积比为1g:(3mL~5mL);
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离,得到沉淀物;再向沉淀物中加入质量分数为96%~99%的乙醇溶液,得到石墨烯/乙醇混合溶液;再使用质量分数为96%~99%的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤3次~5次,得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液;将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为60W~70W下超声4h~6h,得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液;
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(5mL~10mL);
二、石墨烯在环氧树脂中的分散:将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中,得到石墨烯/环氧树脂混合物;再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为40℃~60℃下真空干燥72h~144h,得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物;
步骤二所述的环氧树脂为环氧树脂E-51、环氧树脂E-44或环氧树脂E-42;
步骤二所述的两相萃取的方法的具体操作步骤为:首先将石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中,再进行搅拌,直至石墨烯/乙醇混合溶液中乙醇溶液由棕黄色变为无色,停止搅拌,再去除上层乙醇溶液,完成两相萃取;
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(10g~100g);
三、复合:①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为60W~70W下超声30min~60min,得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物;将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃~80℃烘箱中预热2h~3h,得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂;
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合,在搅拌速度为100r/min~150r/min的下搅拌4min~5min,得到石墨烯/环氧树脂预聚物;
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为50℃~65℃下预热120min~180min,得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具;
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具,再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中,在温度为70℃~80℃固化2h~3h,再在温度为125℃~135℃下反应2.5h~3.5h,再在150℃~160℃下反应1h~2h,得到石墨烯/环氧树脂复合材料;
步骤三④所述的石墨烯/环氧树脂复合材料的拉伸强度为42MPa~70MPa,冲击强度为4.5kJ/m2~8kJ/m2,玻璃化转变温度为110℃~124℃。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,其特征在于步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90%~98%的浓硫酸的体积比为1g:(50mL~60mL)。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,其特征在于步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:9。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,其特征在于步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1.5。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,其特征在于步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30%~35%的双氧水的体积比为1g:(4mL~5mL)。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,其特征在于步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(8mL~10mL)。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法,其特征在于步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(50g~100g)。
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