一種提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，屬于復合材料結構設計領域。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶體結構，是構建其它碳材料的基本結構單元。石墨烯獨特的晶體結構使它具有優(yōu)異的力學和電學性能，且由于其二維片狀外觀形貌及較大比表面積易與基體樹脂緊密接觸，被認為是聚合物樹脂基體的理想增強材料。傳統(tǒng)的石墨烯增強聚合物樹脂復合材料多采用共混和原位聚合的方法制備。這種情況下，二維片狀石墨烯納米材料不可避免的會出現(xiàn)堆疊、卷曲、團聚、纏繞等問題，嚴重影響復合材料各項性能的提尚。
[0003]目前，三維石墨烯結構體的研究已被廣泛的科學工作者關注，這為石墨烯在能源材料、功能材料等領域的應用提供了新的思路。將石墨烯片組裝構建成三維的石墨烯宏觀結構體，不僅保持了石墨烯片的良好分布狀態(tài)，避免了其在后續(xù)應用中的團聚問題，而且這種三維石墨烯宏觀結構體賦予了石墨烯特殊的結構特性，如超大的比表面積、良好的開孔交聯(lián)性、高孔隙率等。如今，以三維石墨烯宏觀結構體作為聚合物增強體制備復合材料，已取得不俗的成果，其復合材料的力學及導電性能得到大幅提升。但三維石墨烯結構體結構穩(wěn)定性差，復合材料中增強體的密度偏低，局部增強效果不理想，仍然是制約其復合材料性能提高的重要因素。
[0004]碳納米管作為一種具有特殊結構的一維量子材料，甚至可以看成是片狀石墨烯卷曲而成的空心結構，具有精細的納米尺寸、異常高的縱橫比及較大的比表面積，同樣是納米復合材料的理想增強體。結合石墨烯與碳納米管二者的優(yōu)點，發(fā)揮它們之間的協(xié)同效應，使其表現(xiàn)出比任意一種單一材料更優(yōu)異的性能，如非凡的物理化學性能、機械特性及熱穩(wěn)定性等，是一種實現(xiàn)材料改性及性能增強的重要途徑。
[0005]因此，本發(fā)明提出在三維石墨烯結構體中引入一定比例的功能化碳納米管，在補強三維石墨稀結構體的基礎上，構建多尺度的三維石墨稀-碳納米管的穩(wěn)定雜化結構體，作為聚合物樹脂的增強體，通過碳納米管對石墨烯納米片間聚合物的局部增強，減少復合材料中富樹脂區(qū)域的面積，實現(xiàn)復合材料力學性能的有效提升。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明提供了一種提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，主要通過在已制備的三維石墨烯結構體中，采用特定的方法引入一定比例的碳納米管，構建多尺度的三維石墨烯-碳納米管雜化結構體，以此作為聚合物樹脂的增強體，實現(xiàn)復合材料的結構改善及力學性能的顯著提高。
[0007]本發(fā)明的技術方案通過以下步驟完成:
[0008](I)配制一定濃度的功能化碳納米管，通過一定的方法在制備的多孔狀的三維石墨稀結構體中組裝一定比例的功能化碳納米管，得到三維石墨稀-碳納米管的雜化結構體；
[0009](2)以上述制備的三維石墨烯-碳納米管雜化結構體為增強體，與聚合物復合成型，制備高力學性能的三維石墨烯結構體/樹脂復合材料。
[0010]上述步驟(I)中三維石墨烯結構體的制備方法為原位還原、界面自組裝、化學氣相沉積、模板導向方法等。
[0011]上述步驟(I)中所述的碳納米管為單壁、雙壁或多壁碳納米管；功能化碳納米管為羧基化碳納米管、羥基化碳納米管、氨基化碳納米管等；功能化碳納米管的溶液濃度為0.005?3mg/mL ;碳納米管加入比例為石墨稀的O?80wt%。
[0012]上述步驟(I)中碳納米管的引入方法為浸漬、電化學組裝、靜電吸附、化學接枝等。
[0013]上述步驟(2)中復合材料的制備方法包括樹脂傳遞模塑成型以及真空浸漬等。
[0014]上述步驟(2)中的聚合物樹脂為聚二甲基硅氧烷、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機娃樹脂等。
【具體實施方式】
[0015]下面結合具體實施例對本發(fā)明提供的一種提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法進行詳細的說明。
[0016]實施例1:
[0017]氧化石墨烯0.2g，配制濃度為3mg/mL的氧化石墨烯溶液，加入0.1g對苯二胺，混合均勻，在真空環(huán)境下90°C下加熱6h，得到石墨烯水凝膠，液氮氛圍下預凍2h，-50°C下真空冷凍干燥24h，制備得到三維石墨稀結構體。取2mg羧基化碳納米管，配成濃度為0.0lmg/mL的均勻分散液，采用電化學還原沉積的方法多次組裝，得到三維的石墨烯-碳納米管雜化結構體。以此三維石墨烯-碳納米管雜化結構體為增強體，通過樹脂傳遞模塑成型的方法，真空打壓聚二甲基硅氧烷，填充結構體的多孔結構。然后在80°C下加熱固化Sh成型，得到高強的三維石墨烯-碳納米管雜化結構體增強的聚二甲基硅氧烷復合材料，經力學性能測試，其拉伸強度高達30.1MPa，相對于三維石墨烯結構體增強的聚二甲基硅氧烷復合材料提尚了 29.6%。
[0018]實施例2:
[0019]濃度為2mg/mL的氧化石墨烯溶液lOOmL，加入含有0.2g聚酰胺胺的溶液中，形成均勻的絮凝液，去除多余的水后，得到濃稠的絮凝物，液氮氛圍下預凍lh，-50°C下真空冷凍干燥24h，即得到完整的氧化石墨烯與聚酰胺胺多孔混合物。并在180°C下真空加熱12h，得到孔結構均勻的三維石墨烯結構體宏觀材料。并在硅烷偶聯(lián)劑的作用下，與lmg/mL的羧基化的碳納米管在70°C下反應8h，洗滌后真空干燥，得到三維石墨烯-碳納米管雜化結構體，而且引入的碳納米管比例為石墨烯的0.3wt%。
[0020]將三維石墨烯-碳納米管雜化結構體置于模具中，使其處于完全密封的環(huán)境中，采用真空栗抽吸模具，使熱固性的環(huán)氧樹脂、固化劑與促進劑的混合液充分浸潤、填充處于負壓狀態(tài)下的三維結構體，然后在90°C /3h、120°C /3h、150°C /5h的條件下加熱固化成型，獲得復合材料，測試其拉伸強度達到132.4MPa。
[0021]實施例3:
[0022]濃度為2mg/mL的氧化石墨烯溶液lOOmL，加入含有0.2g聚酰胺胺的溶液中，形成均勻的絮凝液，去除多余的水后，得到濃稠的絮凝物，液氮氛圍下預凍lh，-50°C下真空冷凍干燥24h，即得到完整的氧化石墨烯與聚酰胺胺多孔混合物。并在180°C下真空加熱12h，得到孔結構均勻的三維石墨烯結構體宏觀材料。并在硅烷偶聯(lián)劑的作用下，與2mg/mL的羧基化的碳納米管在70°C下反應10h，洗滌后真空干燥，得到三維石墨烯-碳納米管雜化結構體，而且引入的碳納米管比例為石墨烯的0.7wt%。
[0023]將三維石墨烯-碳納米管雜化結構體置于模具中，使其處于完全密封的環(huán)境中，采用真空栗抽吸模具，使熱固性的環(huán)氧樹脂、固化劑與促進劑的混合液充分浸潤、填充處于負壓狀態(tài)下的三維結構體，然后在90°C /3h、120°C /3h、150°C /5h的條件下加熱固化成型，獲得復合材料，測試其拉伸強度達到147.9MPa，相對于引入0.3wt%碳納米管的結構體增強的復合材料的拉伸強度提高了 11.7%。
【主權項】
1.一種提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，其特征在于，通過引入一定比例的功能化碳納米管，構建多元化、多尺度的三維石墨稀-碳納米管雜化結構體，作為聚合物樹脂增強體，顯著提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料的力學性能。2.根據權利要求1所述的提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，其特征在于，所述的方法具體按以下步驟完成: (1)配制一定濃度的功能化碳納米管，通過一定的方法在制備的多孔狀三維石墨稀結構體中組裝一定比例的功能化碳納米管，得到三維石墨稀-碳納米管的雜化結構體； (2)以上述制備的三維石墨烯-碳納米管雜化結構體為增強體，與聚合物樹脂復合成型，制備高力學性能的三維石墨烯結構體/樹脂復合材料。3.根據權利要求1所述的提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，其特征在于，所述的三維石墨烯結構體的制備方法為原位還原、界面自組裝、化學氣相沉積、模板導向等。4.根據權利要求1所述的提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，其特征在于，所述的碳納米管為單壁、雙壁或多壁碳納米管；功能化碳納米管為羧基化碳納米管、羥基化碳納米管、氨基化碳納米管等；功能化碳納米管的溶液濃度為0.005?3mg/mL ;碳納米管加入比例為石墨稀的O?80wt%。5.根據權利要求1所述的提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，其特征在于，所述的碳納米管的引入方法為浸漬、電化學組裝、靜電吸附、化學接枝等。6.根據權利要求1所述的提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，其特征在于，所述的復合材料的制備方法包括樹脂傳遞模塑成型以及真空浸漬等。7.根據權利要求1所述的提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，其特征在于，所述的聚合物樹脂為聚二甲基硅氧烷、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機硅樹脂等。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料力學性能的方法，主要是在三維石墨烯結構體中引入一定比例的功能化碳納米管，構建多尺度的三維石墨烯-碳納米管雜化多孔結構體，并與聚合物樹脂復合成型，提升三維石墨烯結構體/樹脂復合材料的力學性能。本發(fā)明中在三維石墨烯結構體的基礎上引入碳納米管，完成了由一維碳納米管、二維石墨烯到三維石墨烯-碳納米管雜化網絡結構體的多元化構建，同時以此雜化結構體為樹脂基復合材料的增強體，實現(xiàn)了增強體的多尺度化與結構可控性，使復合材料的力學性能顯著提高。此方法工藝過程簡單，可操作性強，有利于規(guī)?；苽洹?br>【IPC分類】C08K9/00, C08L83/04, C08L63/00, C08K3/04, C08K7/24
【公開號】CN105153707
【申請?zhí)枴緾N201510664566
【發(fā)明人】徐志偉, 倪亞, 吳騰飛, 陳磊, 王維
【申請人】天津工業(yè)大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年10月16日