[發(fā)明專(zhuān)利]玻璃纖維／石墨烯-碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂多維混雜復(fù)合材料的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110168620.2
• 申請(qǐng)日: 2011-06-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102304274A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱軍;陳典兵
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C08L63/00
• 分類(lèi)號(hào): C08L63/00;C08K9/06;C08K7/14;C08G59/42
• 代理公司: 上海正旦專(zhuān)利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種玻璃纖維／石墨烯-碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂多維混雜復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)

環(huán)氧樹(shù)脂是一種熱固性低聚物，性能很差。除了用作聚氯乙烯的穩(wěn)定劑之外，沒(méi)有直接使用價(jià)值。但是當(dāng)它與固化劑進(jìn)行固化反應(yīng)形成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之后，則呈現(xiàn)出一系列優(yōu)異的性能。所以，固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)反應(yīng)性能是環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用的基礎(chǔ)、核心。環(huán)氧樹(shù)脂在固化過(guò)程中的行為及固化物的性能在很大程度上取決于固化劑的性能以及它與樹(shù)脂之間地互相影響及合理配合，而這些又取決于固化劑的分子結(jié)構(gòu)。因此，研究環(huán)氧樹(shù)脂地應(yīng)用在某種程度上就是研究環(huán)氧樹(shù)脂的固化問(wèn)題。

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，它是構(gòu)建其它維度碳質(zhì)材料(如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨)的基本單元。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能和熱學(xué)性能，其室溫電子遷移率可達(dá)15000cm²v^-1s^-1，熱導(dǎo)率可達(dá)3000wm^-1K^-1此外，石墨烯價(jià)格低廉、原料易得，其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行有效的電熱傳輸，有望在高性能電子器件、場(chǎng)發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。碳納米管(CNTs)自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，就以其優(yōu)異的力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能和化學(xué)性能等，迅速成為各科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。雖然石墨烯，碳納米管在制備質(zhì)輕、高強(qiáng)度復(fù)合材料中有潛在的應(yīng)用前景，但要將其真正變成現(xiàn)實(shí)，還有許多問(wèn)題需要解決。碳納米管的表面能較高，容易發(fā)生團(tuán)聚，使它在聚合物中難以實(shí)現(xiàn)均勻分散。碳納米管要作為增強(qiáng)材料必須要與聚合物骨架緊密結(jié)合，這樣才能使應(yīng)力有效地轉(zhuǎn)移到碳納米管上。如何均勻分散碳納米管并增強(qiáng)碳納米管與基體材料界面間的結(jié)合作用，是提高復(fù)合材料各項(xiàng)性能的關(guān)鍵。石墨烯具有二維的片狀結(jié)構(gòu)，其在使用過(guò)程中特別容易卷曲和高度皺折；尤其是采用熔融共混法制備聚合物復(fù)合材料時(shí)，石墨烯在剪切力作用下更容易發(fā)生卷曲和高度皺折，不利于在基體內(nèi)形成高效的輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。玻璃纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能已在各行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。可以通過(guò)在溶劑中攪拌和超聲振蕩使得碳納米管與石墨烯形成混雜穿插結(jié)構(gòu)，可以有效地防止石墨烯的卷曲或折皺，充分發(fā)揮石墨烯優(yōu)異的二維電熱傳輸特性；這種石墨烯一碳納米管的混雜輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，可以使石墨烯和碳納米管在結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)上形成互補(bǔ)，在滿(mǎn)足導(dǎo)熱、導(dǎo)電功能的同時(shí)，顯著降低功能填料的摻量、降低復(fù)合材料的成本。此外，由于其輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)使用要求進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)和構(gòu)建，具有較大的設(shè)計(jì)自由度。利用玻璃纖維，石墨烯和碳納米管各自?xún)?yōu)異的力學(xué)性能改性環(huán)氧樹(shù)脂，制備玻璃纖維／石墨烯-碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂多維混雜復(fù)合材料，可以預(yù)見(jiàn)玻璃纖維／石墨烯-碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂混雜復(fù)合材料的前景將是非常廣闊的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種分散性好、界面粘結(jié)牢固的玻璃纖維／石墨烯-碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂多維混雜復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明提出的玻璃纖維／石墨烯-碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂多維混雜復(fù)合材料的制備方法，是將碳納米管與石墨烯形成混雜穿插結(jié)構(gòu)，對(duì)此混雜穿插結(jié)構(gòu)表面純化，對(duì)純化的混雜穿插結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行羧基化后，引入具有特征結(jié)構(gòu)的二元胺或多元胺，得到表面具有活性氨基的接枝型碳納米管與石墨烯混雜穿插結(jié)構(gòu)，再將接有此氨基的碳納米管與石墨烯混雜穿插結(jié)構(gòu)用小分子芳香族多元酸酐化合物修飾，制備攜帶酸酐基團(tuán)的碳納米管與石墨烯混雜穿插結(jié)構(gòu)。超聲波振蕩和高速攪拌，使碳納米管與石墨烯混雜穿插結(jié)構(gòu)分散于環(huán)氧樹(shù)脂基體中，采用有機(jī)酸酐類(lèi)固化劑固化，以得到含有碳納米管與石墨烯混雜穿插結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹(shù)脂聚合物作為基體和硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維按一定方式復(fù)合，最后形成以共價(jià)鍵相連的多維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，則玻璃纖維和碳納米管與石墨烯混雜穿插結(jié)構(gòu)表面將纏繞有大量的聚合物。其具體步驟如下：?

(1)?將0.5克石墨烯和0.5克碳納米管分散于500克無(wú)水乙醇中，超聲2小時(shí)后形

成穩(wěn)定的懸浮液石墨烯-碳納米管，稱(chēng)取1～1×10²g干燥的石墨烯-碳納米管和10g～1×10³g無(wú)機(jī)酸混合，在1~120kHz超聲波或10?r/min~10⁶?r/min的離心速度攪拌下處理1～80小時(shí)，然后加熱至20～180℃，反應(yīng)1～48小時(shí)，以微濾膜抽濾，反復(fù)洗滌至中性，在25～150℃溫度下真空干燥1～48小時(shí)，得到純化的石墨烯-碳納米管，所述石墨烯-碳納米管為相互穿插、纏繞形成連通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；