CN104231547A - 一种水性石墨烯环氧树脂纳米复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水性石墨烯环氧树脂纳米复合材料的制备方法，具体步骤如下包括：采用Hummers法获得的氧化石墨烯经功能化改性、分散后得到高浓度石墨烯水分散液；在石墨烯水分散液中加入环氧树脂，搅拌均匀后，在真空条件下去除水并加入固化剂混合；高温固化后得到石墨烯/环氧树脂纳米复合材料，其操作过程简便可控，易于大批量制备及合成；通过高稳定的石墨烯水分散液的获得，使得石墨烯与环氧树脂具有优异的界面相容性及结合力；有效提高了环氧树脂与基底的结合力、耐腐蚀及抗冲击性能；相比于常规的水性环氧树脂材料，本发明制备的水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的硬度提高了1.5倍，耐冲击性提高了12倍。
Description
技术领域
本发明属于树脂基纳米复合材料的制备领域，具体地说涉及一种水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的制备方法。
背景技术
环氧树脂是由含有2个以上环氧基的分子聚合而成的低聚物，由于环氧树脂复合材料具有强度高、密度低的特点，已经逐渐成为工业领域不可缺少的基础材料之一。但随着国家环保和工人劳动保护的加强，以水取代有机溶剂的涂料工艺已经成为涂料发展的重要方向；水性环氧树脂具有溶剂型环氧树脂的性能，又克服了溶剂挥发对环境的污染，在建筑涂料、防腐涂料等方面具有极大的应用前景。但环氧树脂的热稳定性、耐溶剂性及力学性能等较低，影响其应用范围。因此为了提高环氧树脂的综合性能，要对其进行有效的改性；
石墨烯是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料，常温下其电子迁移率超过15000cm2/s，比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω.cm，比铜更低，为目前世上电阻率最小的材料之一；但是石墨烯表面惰性大、表面能低、具有化学活性的官能团少，导致石墨烯和环氧树脂之间的浸润性差，且两者之间也较难以形成化学键合作用，直接影响环氧树脂纳米复合材料与基体之间的应力传递与分散，石墨烯的高性能不能充分得到发挥；如何有效实现石墨烯与水性环氧树脂的复合，以提高环氧树脂与基体的结合力、耐腐蚀性及抗冲击性能，成为本发明所要解决的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的制备方法，以获得高效稳定的石墨烯水分散液，进而实现石墨烯与水性环氧树脂的复合，提高环氧树脂的综合性能。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的制备方法，它包含如下步骤：
（1）将石墨溶于浓硫酸和浓磷酸的混酸溶液中，加入高锰酸钾后于40 ℃反应10小时，然后加入上述混酸溶液2倍体积的冰水；搅拌均匀冷却到室温，再加入石墨质量3倍的过氧化氢溶液还原，反应完毕经洗涤、干燥后，制得氧化石墨烯；
（2）称取一定量的氧化石墨烯于容器中，加入聚乙烯吡咯烷酮，其中氧化石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为5:1-1:5；然后进行磁力搅拌，混合均匀后，再加入还原剂，得到功能化石墨烯；
（3）将获得功能化石墨烯分散于水中，配置浓度为0.0005-0.01mg/ml的石墨烯水分散液；
（4）向所得石墨烯水分散液中加入环氧树脂得混合液，并在常温下搅拌40-70min，于真空条件0.1-0.3MPa下减压蒸馏，直至将体系中的水去除；
（5）向体系中加入化学当量的固化剂，得到混合物；
（6）将混合物浇铸至预热温度为50-80℃的模具中，放入烘箱固化，得到水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料。
所述功能石墨烯、环氧树脂、固化剂所占比例分别为0.005-10%、43-74%、22-47%；
所述的还原剂为水合肼、抗败血酸的一种或上述两种的混合物；
所述的固化剂为低分子聚酰胺。
本发明的有益效果是：通过获得高稳定的石墨烯水分散液，使得石墨烯与环氧树脂具有优异的界面相容性及结合力；有效提高了环氧树脂与基底的结合力、耐腐蚀及抗冲击性能；相比于常规的水性环氧树脂材料，本发明制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的硬度提高1.5倍，耐冲击性提高12 倍；本发明提供的水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的制备方法，操作过程简便可控，易于大批量制备及合成。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
（1）将石墨溶于浓硫酸和浓磷酸的混合溶液中，加入高锰酸钾后于40 ℃反应10小时，然后加入混酸体积2倍的冰水；搅拌均匀冷却到室温，再加入石墨质量3倍的过氧化氢溶液还原，反应完毕经洗涤、干燥后，制得氧化石墨烯；
（2）按质量比5:1取氧化石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮共2.4g，再加入4.5g 抗败血酸，混合均匀，反应完毕获得功能化石墨烯；
（3）将功能化石墨烯分散于水中，获得浓度为0.008g/ml的石墨烯水分散液10ml；
（4）向上述石墨烯水分散液中加入环氧树脂0.59g，在常温下搅拌40min后，于真空0.1MPa条件下减压蒸馏，将体系中水去除；
（5）而后在体系中加入低分子聚酰胺0.24g后，得到混合物；
（6）将混合物浇铸至预热温度为60℃的模具中，放入烘箱进行固化，60℃固化8h，然后升温至130℃，固化10h；得到水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料。
实施例2 （1）将石墨溶于浓硫酸和浓磷酸的混合溶液中，加入高锰酸钾后于40 ℃
反应10小时，然后加入混酸体积2倍的冰水。搅拌均匀冷却到室温，再加入石墨质量3倍的过氧化氢溶液还原，反应完毕经洗涤、干燥后，制得氧化石墨烯； （2）按照质量比1:3取氧化石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮共1g，在加入1.5g抗败血酸，混合均匀，反应完毕获得功能化石墨烯； （3）将功能化石墨烯分散于水中，获得浓度为0.006g/ml的石墨烯水分散液50ml；
（4）向上述石墨烯水分散液中加入环氧树脂3.4g，在常温下搅拌50min后，于真空0.1MPa条件下减压蒸馏，将体系中水去除；
（5）而后在体系中加入低分子聚酰胺1.7g后，得到混合物；
（6）将混合物浇铸至预热温度为60℃的模具中，放入烘箱进行固化，60℃固化10h，然后升温至110℃，固化12h；得到水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料。
实施例3
（1）将石墨溶于浓硫酸和浓磷酸的混合溶液中，加入高锰酸钾后于40 ℃反应10小时，然后加入混酸体积2倍的冰水。搅拌均匀冷却到室温，再加入石墨质量3倍的过氧化氢溶液还原，反应完毕经洗涤、干燥后，制得氧化石墨烯；
（2）按照质量比1:5取氧化石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮共1.2g，在加入1.5g抗败血酸，混合均匀，反应完毕获得功能化石墨烯；
（3）将功能化石墨烯分散于水中，获得浓度为0.005g/ml的石墨烯水分散液100ml；
（4）向上述石墨烯水分散液中加入环氧树脂7.4g，在常温下搅拌70min后，于真空0.3MPa条件下减压蒸馏，将体系中水去除；
（5）而后在体系中加入低分子聚酰胺3g后，得到混合物；
（6）将混合物浇铸至预热温度为80℃的模具中，放入烘箱进行固化，80℃固化10h，然后升温至130℃，固化15h；得到水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料。
Claims (3)
1.一种水性石墨烯环氧树脂纳米复合材料的制备方法，其特征在于：它包含如下步骤：
（1）将石墨溶于浓硫酸和浓磷酸的混酸溶液中，加入高锰酸钾后于40 ℃反应10小时，然后加入上述混酸溶液2倍体积的冰水；搅拌均匀冷却到室温，再加入石墨质量3倍的过氧化氢溶液还原，反应完毕经洗涤、干燥后，制得氧化石墨烯；
（2）称取一定量的氧化石墨烯于容器中，加入聚乙烯吡咯烷酮，其中氧化石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为5:1-1:5；然后进行磁力搅拌，混合均匀后，再加入还原剂，得到功能化石墨烯；
（3）将获得功能化石墨烯分散于水中，配置浓度为0.0005-0.01mg/ml的石墨烯水分散液；
（4）向所得石墨烯水分散液中加入环氧树脂得混合液，并在常温下搅拌40-70min，于真空条件0.1-0.3MPa下减压蒸馏，直至将体系中的水去除；
（5）而后向体系中加入化学当量的固化剂，获得混合物；
（6）将混合物浇铸至预热温度为50-80℃的模具中，放入烘箱固化，得到水性石墨烯/环氧树脂纳米复合材料;
所述功能化石墨烯、环氧树脂、固化剂所占比例分别为0.005-10%、43-74%、22-47%。
2.根据权利要求1所述的一种水性氧化石墨烯环氧树脂纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的还原剂为水合肼、抗败血酸的一种或两种的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种水性氧化石墨烯环氧树脂纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的固化剂为低分子聚酰胺。
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