CN105111690A - 一种提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法，主要通过切割氧化石墨烯片的粒径，降低构建的三维石墨烯结构体的孔径，以此作为增强体，与聚合物树脂复合成型，提升三维石墨烯结构体/聚合物复合材料的力学性能。本发明涉及的三维石墨烯结构体孔径小，体密度大，使石墨烯在聚合物复合材料中的含量明显增加，有效提高了三维石墨烯结构体/聚合物复合材料的力学性能。同时，三维石墨烯结构体保持了石墨烯片在复合材料中稳定有序的分布状态，协同提高了三维石墨烯结构体/聚合物复合材料的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于材料化学领域，特别是涉及一种提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构，是构建其他维数碳材料的基本结构单元。石墨烯独特的晶体结构使它具有优异的力学和电学性能，且由于二维片状的外观形貌及超大比表面积，使其易与基体树脂紧密接触，被认为是聚合物树脂基复合材料的理想增强材料。
目前石墨烯增强聚合物树脂基复合材料的制备主要通过共混和原位聚合法，但结构微小的片状石墨烯由于片层间较强的范德华力极易导致石墨烯层层堆叠、团聚，使其与基体树脂的实际混合过程难以控制，造成复合材料中石墨烯片的分布状态无法有效调控，严重影响复合材料的结构稳定及性能增强。因此为发挥石墨烯的多功能特性，可将石墨烯组装成稳定的三维石墨烯结构体宏观材料，使石墨烯片始终保持稳定有序的分布状态。并以此宏观材料作为增强体，与聚合物复合，制备出三维石墨烯结构体增强的聚合物复合材料，结果证明其力学性能有所提升。但由于三维石墨烯结构体的结构与其聚合物复合材料力学性能之间的构效关系尚不明确，导致三维石墨烯结构体/聚合复合材料力学性能的有效提高受到严重制约。因此，通过调控三维石墨烯结构体的形态及孔径结构等参数，实现复合材料结构演化及性能显著提升至关重要。
本发明为增强三维石墨烯结构体/聚合物复合材料的力学性能，提出通过减小三维石墨烯结构体的孔径及孔壁厚度，增加其体密度，提高作为增强体的三维石墨烯结构体在复合材料中的含量，优化复合材料的力学性能。
发明内容
本发明提供了一种减小氧化石墨烯片的粒径，降低三维石墨烯结构体的孔径，以增强三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法。该方法中三维石墨烯结构体的孔径减小，体密度增大，有效提高了三维石墨烯结构体/聚合物复合材料中石墨烯的含量，同时三维石墨烯结构体的构建调控了石墨烯片在聚合物复合材料中的分布状态，使三维石墨烯结构体/聚合物复合材料的力学性能大幅提升。
提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法主要通过以下步骤实现：
(1)对氧化石墨烯片进行切割、筛选，缩小氧化石墨烯片的直径和厚度，得到小粒径的氧化石墨烯片，并配制得到合适浓度的氧化石墨烯溶液；
(2)以上述氧化石墨烯溶液为前驱体，选择多活性端基化合物为交联剂和还原剂，构建小孔径的三维石墨烯结构体，其中多活性端基化合物为聚酰胺胺、对苯二胺、聚乙烯亚胺、聚氧乙烯基二元胺等；
(3)以上述步骤制备的小孔径三维石墨烯结构体作为增强体，填充聚合物树脂，复合成型，制备得到高力学性能的三维石墨烯结构体/聚合物复合材料。
上述步骤(1)中切割得到的氧化石墨烯片直径为0.05～150μm，厚度为0.34～6nm，配制的氧化石墨烯溶液浓度为0.01～30mg/mL。
上诉步骤(3)中用于制备三维石墨烯结构体/聚合物复合材料的聚合物树脂为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、酞菁树脂、聚乳酸树脂、FB树脂、聚酯树脂等。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的一种提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法进行详细的说明。
实施例1：
对氧化石墨烯溶液进行细胞粉碎切割，得到粒径大约为35μm的氧化石墨烯，制备浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液400mL，滴加0.2g聚酰胺胺，去除多余的溶剂，收集得到的粘稠物，在液氮氛围下预冷冻2h，-50℃下真空冷冻干燥24h，即得到多孔状的氧化石墨烯与聚酰胺胺混合体。180℃真空加热反应12h，即在模具中形成三维石墨烯结构体，经压汞测试其孔径大小范围为22～28μm。
以制备的三维石墨烯结构体为增强体，通过树脂传递模塑成型的方法，真空打压灌注以100∶70∶1的质量比混合的环氧树脂、固化剂和促进剂。然后在90℃/3h、120℃/3h、150℃/5h的条件下加热固化成型，得到一定孔径的高强三维石墨烯结构体/环氧树脂复合材料，测试其平均压缩强度达到232.4MPa。
实施例2：
增加细胞粉碎的功率和时间，切割得到粒径大约为14μm的氧化石墨烯，制备浓度为3mg/mL的氧化石墨烯水溶液80mL，按质量比1∶1加入聚酰胺胺0.24g，待混合均匀、絮凝完全后离心去除多余的溶剂，并将离心产物在液氮氛围下预冻3h，-50℃下真空冷冻干燥24h，即得到多孔状的氧化石墨烯与聚酰胺胺混合体。并在180℃下真空加热反应12h，制备形态完整的三维石墨烯结构体，经扫描电镜统计及压汞测试结果分析得到的孔径范围为9～12μm。
将三维石墨烯结构体置于模具中，使其处于完全密封的真空环境中，以100∶70∶1的质量比配制环氧树脂、固化剂和促进剂，真空打压，使流动性较好的环氧树脂充分浸润、填充三维石墨烯结构体，然后在90℃/3h、120℃/3h、150℃/5h的条件下加热固化成型，得到较小孔径的三维石墨烯结构体增强环氧树脂复合材料，并表现出优异的力学性能，压缩强度高达341.6MPa，相比于孔径为22～28μm的三维石墨烯结构体增强的环氧树脂复合材料，明显提高了47.0％。
实施例3：
滤膜过滤、分离利用细胞粉碎切割的氧化石墨烯，得到粒径约为8μm的氧化石墨烯，作为前驱体材料，配制得到4mg/ml的氧化石墨烯水溶液50mL，按质量比为1∶1的比例混合加入聚酰胺胺0.2g，超声混合均匀，离心去除多余的溶剂，所得离心产物在液氮氛围下预冻2h，-50℃下真空冷冻干燥24h，并将得到的多孔状氧化石墨烯与聚酰胺胺混合物在180℃真空加热反应12h，制备三维石墨烯结构体宏观材料，测试其孔径为2～7μm。
将三维石墨烯结构体宏观材料置于模具中，使其处于完全密封的环境中，采用真空泵抽吸模具，使热固性的环氧树脂、固化剂和促进剂(质量比100∶70∶1)的混合液充分浸润、填充处于负压状态下的三维石墨烯结构体，然后在90℃/3h、120℃/3h、150℃/5h的条件下加热固化成型，获得三维石墨烯结构体/环氧树脂复合材料，测试证明其压缩强度得到有效提高，相比于孔径为22～28μm的三维石墨烯结构体增强的环氧树脂复合材料增长了58.8％。
Claims (4)
1.一种提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法，其特征在于减小氧化石墨烯片粒径，降低三维石墨烯结构体的孔径，以优化三维石墨烯结构体/聚合物复合材料的力学性能。
2.根据权利要求1所述的提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法，其特征在于，所述的方法具体按以下步骤完成：
(1)对氧化石墨烯片切割、筛选，得到直径小、厚度薄的小粒径氧化石墨烯，并配制合适浓度的溶液；
(2)以上述氧化石墨烯溶液为前驱体，选择多活性端基化合物为交联剂和还原剂，构建小孔径的三维石墨烯结构体，其中多活性端基化合物为聚酰胺胺、对苯二胺、聚乙烯亚胺、聚氧乙烯基二元胺等；
(3)将制备的小孔径三维石墨烯结构体作为聚合物的增强体，复合成型，制备高力学性能的三维石墨烯结构体/聚合物复合材料。
3.根据权利要求1所述的提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯片直径为0.05～150μm，厚度为0.34～6nm，氧化石墨烯溶液浓度为0.01～30mg/mL。
4.根据权利要求1所述的提高三维石墨烯结构体/聚合物复合材料力学性能的方法，其特征在于所述的用于制备三维石墨烯结构体/聚合物复合材料的聚合物为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、酞菁树脂、聚乳酸树脂、FB树脂、聚酯树脂等。
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