CN105153707A - 一种提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法 - Google Patents

一种提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法 Download PDF

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徐志伟
倪亚
吴腾飞
陈磊
王维
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Abstract

本发明提供了一种提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，主要是在三维石墨烯结构体中引入一定比例的功能化碳纳米管，构建多尺度的三维石墨烯-碳纳米管杂化多孔结构体，并与聚合物树脂复合成型，提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料的力学性能。本发明中在三维石墨烯结构体的基础上引入碳纳米管，完成了由一维碳纳米管、二维石墨烯到三维石墨烯-碳纳米管杂化网络结构体的多元化构建，同时以此杂化结构体为树脂基复合材料的增强体，实现了增强体的多尺度化与结构可控性，使复合材料的力学性能显著提高。此方法工艺过程简单，可操作性强，有利于规模化制备。

Description

一种提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法
技术领域
本发明涉及一种提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，属于复合材料结构设计领域。
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，是构建其它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，且由于其二维片状外观形貌及较大比表面积易与基体树脂紧密接触，被认为是聚合物树脂基体的理想增强材料。传统的石墨烯增强聚合物树脂复合材料多采用共混和原位聚合的方法制备。这种情况下，二维片状石墨烯纳米材料不可避免的会出现堆叠、卷曲、团聚、缠绕等问题，严重影响复合材料各项性能的提高。
目前，三维石墨烯结构体的研究已被广泛的科学工作者关注，这为石墨烯在能源材料、功能材料等领域的应用提供了新的思路。将石墨烯片组装构建成三维的石墨烯宏观结构体，不仅保持了石墨烯片的良好分布状态，避免了其在后续应用中的团聚问题，而且这种三维石墨烯宏观结构体赋予了石墨烯特殊的结构特性，如超大的比表面积、良好的开孔交联性、高孔隙率等。如今，以三维石墨烯宏观结构体作为聚合物增强体制备复合材料，已取得不俗的成果，其复合材料的力学及导电性能得到大幅提升。但三维石墨烯结构体结构稳定性差，复合材料中增强体的密度偏低，局部增强效果不理想，仍然是制约其复合材料性能提高的重要因素。
碳纳米管作为一种具有特殊结构的一维量子材料，甚至可以看成是片状石墨烯卷曲而成的空心结构，具有精细的纳米尺寸、异常高的纵横比及较大的比表面积，同样是纳米复合材料的理想增强体。结合石墨烯与碳纳米管二者的优点，发挥它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更优异的性能，如非凡的物理化学性能、机械特性及热稳定性等，是一种实现材料改性及性能增强的重要途径。
因此，本发明提出在三维石墨烯结构体中引入一定比例的功能化碳纳米管，在补强三维石墨烯结构体的基础上，构建多尺度的三维石墨烯-碳纳米管的稳定杂化结构体，作为聚合物树脂的增强体，通过碳纳米管对石墨烯纳米片间聚合物的局部增强，减少复合材料中富树脂区域的面积，实现复合材料力学性能的有效提升。
发明内容
本发明提供了一种提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，主要通过在已制备的三维石墨烯结构体中，采用特定的方法引入一定比例的碳纳米管，构建多尺度的三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体，以此作为聚合物树脂的增强体，实现复合材料的结构改善及力学性能的显著提高。
本发明的技术方案通过以下步骤完成：
(1)配制一定浓度的功能化碳纳米管，通过一定的方法在制备的多孔状的三维石墨烯结构体中组装一定比例的功能化碳纳米管，得到三维石墨烯-碳纳米管的杂化结构体；
(2)以上述制备的三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体为增强体，与聚合物复合成型，制备高力学性能的三维石墨烯结构体/树脂复合材料。
上述步骤(1)中三维石墨烯结构体的制备方法为原位还原、界面自组装、化学气相沉积、模板导向方法等。
上述步骤(1)中所述的碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管；功能化碳纳米管为羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管、氨基化碳纳米管等；功能化碳纳米管的溶液浓度为0.005～3mg/mL；碳纳米管加入比例为石墨烯的0～80wt％。
上述步骤(1)中碳纳米管的引入方法为浸渍、电化学组装、静电吸附、化学接枝等。
上述步骤(2)中复合材料的制备方法包括树脂传递模塑成型以及真空浸渍等。
上述步骤(2)中的聚合物树脂为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等。
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升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法进行详细的说明。
实施例1：
氧化石墨烯0.2g，配制浓度为3mg/mL的氧化石墨烯溶液，加入0.1g对苯二胺，混合均匀，在真空环境下90℃下加热6h，得到石墨烯水凝胶，液氮氛围下预冻2h，-50℃下真空冷冻干燥24h，制备得到三维石墨烯结构体。取2mg羧基化碳纳米管，配成浓度为0.01mg/mL的均匀分散液，采用电化学还原沉积的方法多次组装，得到三维的石墨烯-碳纳米管杂化结构体。以此三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体为增强体，通过树脂传递模塑成型的方法，真空打压聚二甲基硅氧烷，填充结构体的多孔结构。然后在80℃下加热固化8h成型，得到高强的三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体增强的聚二甲基硅氧烷复合材料，经力学性能测试，其拉伸强度高达30.1MPa，相对于三维石墨烯结构体增强的聚二甲基硅氧烷复合材料提高了29.6％。
实施例2：
浓度为2mg/mL的氧化石墨烯溶液100mL，加入含有0.2g聚酰胺胺的溶液中，形成均匀的絮凝液，去除多余的水后，得到浓稠的絮凝物，液氮氛围下预冻1h，-50℃下真空冷冻干燥24h，即得到完整的氧化石墨烯与聚酰胺胺多孔混合物。并在180℃下真空加热12h，得到孔结构均匀的三维石墨烯结构体宏观材料。并在硅烷偶联剂的作用下，与1mg/mL的羧基化的碳纳米管在70℃下反应8h，洗涤后真空干燥，得到三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体，而且引入的碳纳米管比例为石墨烯的0.3wt％。
将三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体置于模具中，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、固化剂与促进剂的混合液充分浸润、填充处于负压状态下的三维结构体，然后在90℃/3h、120℃/3h、150℃/5h的条件下加热固化成型，获得复合材料，测试其拉伸强度达到132.4MPa。
实施例3：
浓度为2mg/mL的氧化石墨烯溶液100mL，加入含有0.2g聚酰胺胺的溶液中，形成均匀的絮凝液，去除多余的水后，得到浓稠的絮凝物，液氮氛围下预冻1h，-50℃下真空冷冻干燥24h，即得到完整的氧化石墨烯与聚酰胺胺多孔混合物。并在180℃下真空加热12h，得到孔结构均匀的三维石墨烯结构体宏观材料。并在硅烷偶联剂的作用下，与2mg/mL的羧基化的碳纳米管在70℃下反应10h，洗涤后真空干燥，得到三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体，而且引入的碳纳米管比例为石墨烯的0.7wt％。
将三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体置于模具中，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、固化剂与促进剂的混合液充分浸润、填充处于负压状态下的三维结构体，然后在90℃/3h、120℃/3h、150℃/5h的条件下加热固化成型，获得复合材料，测试其拉伸强度达到147.9MPa，相对于引入0.3wt％碳纳米管的结构体增强的复合材料的拉伸强度提高了11.7％。

Claims (7)

1.一种提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，其特征在于，通过引入一定比例的功能化碳纳米管，构建多元化、多尺度的三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体，作为聚合物树脂增强体，显著提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料的力学性能。
2.根据权利要求1所述的提升三维石墨烯结构体/树脂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)配制一定浓度的功能化碳纳米管，通过一定的方法在制备的多孔状三维石墨烯结构体中组装一定比例的功能化碳纳米管，得到三维石墨烯-碳纳米管的杂化结构体；
(2)以上述制备的三维石墨烯-碳纳米管杂化结构体为增强体，与聚合物树脂复合成型，制备高力学性能的三维石墨烯结构体/树脂复合材料。
3.根据权利要求1所述的提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，其特征在于，所述的三维石墨烯结构体的制备方法为原位还原、界面自组装、化学气相沉积、模板导向等。
4.根据权利要求1所述的提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，其特征在于，所述的碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管；功能化碳纳米管为羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管、氨基化碳纳米管等；功能化碳纳米管的溶液浓度为0.005～3mg/mL；碳纳米管加入比例为石墨烯的0～80wt％。
5.根据权利要求1所述的提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，其特征在于，所述的碳纳米管的引入方法为浸渍、电化学组装、静电吸附、化学接枝等。
6.根据权利要求1所述的提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，其特征在于，所述的复合材料的制备方法包括树脂传递模塑成型以及真空浸渍等。
7.根据权利要求1所述的提升三维石墨烯结构体/树脂复合材料力学性能的方法，其特征在于，所述的聚合物树脂为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107011629A (zh) * 2017-04-27 2017-08-04 山东金城石墨烯科技有限公司 一种石墨烯改性环氧树脂复合材料的制备方法
CN108329524A (zh) * 2018-03-08 2018-07-27 大连理工大学 一种填料的改性方法及其应用
CN110467177A (zh) * 2018-05-11 2019-11-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 复合石墨烯架构及其制备方法与应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104151775A (zh) * 2014-08-01 2014-11-19 天津工业大学 一种三维交联石墨烯泡沫结构增强树脂复合材料的制备方法
CN104672357A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 合肥杰事杰新材料股份有限公司 一种石墨烯-碳纳米管杂化物增强聚合物的复合材料制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104672357A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 合肥杰事杰新材料股份有限公司 一种石墨烯-碳纳米管杂化物增强聚合物的复合材料制备方法
CN104151775A (zh) * 2014-08-01 2014-11-19 天津工业大学 一种三维交联石墨烯泡沫结构增强树脂复合材料的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ANTHONY DICHIARA等: ""Chemical Vapor Depisition Synthesis of Carbon Nanotube-Graphene Nanosheet Hybrids and Their Application in Polymer Composites"", 《JOURNAL OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY》 *
YA NI等: ""Superior Mechanical Propertis of Epoxy Composites Reinforced by 3D Interconnected Graphene Skeleton"", 《APPLIED MATERIALS》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107011629A (zh) * 2017-04-27 2017-08-04 山东金城石墨烯科技有限公司 一种石墨烯改性环氧树脂复合材料的制备方法
CN108329524A (zh) * 2018-03-08 2018-07-27 大连理工大学 一种填料的改性方法及其应用
CN110467177A (zh) * 2018-05-11 2019-11-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 复合石墨烯架构及其制备方法与应用

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