[發明專利]一種石墨烯與環氧樹脂化學復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201610401855.4
• 申請日: 2016-06-08
• 公開（公告）號: CN107446310A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 蘇黨生
• 申請（專利權）人: 南京中贏納米新材料有限公司
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K9/02;C08K3/04;C08G59/44
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技術領域

本發明屬于納米復合材料制備技術領域，具體來說是一種石墨烯/環氧樹脂化學復合材料及其制備方法。

背景技術

石墨烯是由碳原子以sp²雜化連接的單原子層構成的，其基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，其理論厚度僅為0.35nm，是目前所發現的最薄的二維材料，是近幾年發現的碳的二維同素異形體。石墨烯是當今世界最為熱門的新材料之一。石墨烯具有高強度、高導電性及傳熱性、超大的比表面積等特性，在信息技術、航天軍工、功能復合材料、新能源（鋰離子電池、超級電容器）等多領域都有很好的潛在應用前景。當石墨烯結構的一維度的尺寸小到幾個納米時，為了達到結構穩定會自然發生彎曲，導致石墨層自由電子的定域分布。這種特殊結構蘊含了豐富而奇特的物理現象，使石墨烯表現出許多優異的物理化學性質，如石墨烯的強度是已測試材料中最高的，達130GPa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達1.5×10⁴cm²·V^-1·s^-1，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的2倍，超過商用硅片遷移率的10倍；石墨烯的熱導率可達5×10³W·m^-1·K^-1，是金剛石的3倍；另外，石墨烯還具有室溫量子霍爾效應等特殊性質。石墨烯的這些優異特性引起了科技界新一輪的“碳”研究熱潮。研究者在石墨烯的制備、石墨烯的電子結構性能以及其在微電子器件的應用上已經做了大量工作。同時，同大多數碳材料一樣，石墨烯也可以應用于復合材料添加劑，來提高復合材料的綜合性能。目前，這方面的研究主要著眼于提高復合材料的電磁性能，對于力學性能的研究較少。此外，同大多數納米材料一樣，石墨烯存在著在環氧樹脂中分散性較差，自身容易團聚，與環氧樹脂相容性較差的問題，而通過氧化石墨法制備的氧化石墨烯親水性較強，與環氧樹脂的結合也不理想。因此僅利用石墨烯或氧化石墨烯添加到樹脂中很難達到提高力學性能的目的。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種通過先臭氧化石墨烯然后使其與固化劑化學鍵合進而與環氧樹形成脂復合材料的方法。所述的改性石墨烯/環氧樹脂復合材料相對比環氧樹脂本身以及現有技術中的石墨烯/環氧樹脂復合材料的力學強度及抗沖擊性能有很大的提高，所述及的臭氧化方法可以極大的提高石墨烯的官能化程度進而增強其與環氧樹脂之間的界面結合性能，有利于石墨烯力學強度在整體復合材料中的體現。

本發明提出的一種改性石墨烯/環氧樹脂復合材料為黑色固體，是兩相結構，主體是環氧樹脂基體，該環氧樹脂可以為任意常規商業樹脂，增強相為黑色的改性石墨烯，均勻分散于環氧樹脂基體中，該改性石墨烯在復合材料中的含量為0.1～10wt％。本發明提出改性石墨烯/環氧樹脂復合材料其根據國家標準測試的斷裂拉力為40N到4000N；沖擊強度為2~4KJ/m²。

本發明提出一種改性的石墨烯/環氧樹脂復合材料的制備方法，具體包括以下幾個步驟：

步驟一：石墨烯的臭氧化：

用蒸餾水將反應器內壁及砂心潤濕，稱取石墨烯60mg，置于反應器中；加入少量蒸餾水潤濕石墨烯表面；通入氧氣10 min后，氣速為100ml/min，反應溫度為室溫（反應器中溫度計示數約為19 ^oC）；

打開臭氧機，以臭氧及氧氣混合氣體對石墨烯處理，處理時間為應60min，氣速為100ml/min；將處理過的石墨烯至于80 oC過夜干燥，得到臭氧化的石墨烯黑色粉末。

步驟二：石墨烯/環氧樹脂復合材料的制備：

（1）將得到臭氧化石墨烯，加入胺類固化劑，胺類固化劑添加量按照公式：胺質量/100g環氧樹脂=胺中活潑氫當量×環氧值計算，將二者混合物置于水浴中并機械攪拌混合均勻，然后加熱水浴至75~85℃條件下反應12h以上，使二者充分反應，然后冷卻至室溫。

（2）將環氧樹脂加入到冷卻的固化劑與石墨烯混合物中，加入的比例按照改性石墨烯在復合材料中添加量為0.1~10wt%的比例添加，室溫下攪拌均勻。

（3）根據固化劑的不同，選擇環氧樹脂固化溫度，升溫到環氧樹脂的固化溫度進行固化，根據固化劑的不同及固化溫度的不同，固化過程可選擇為20min的快速固化到10h的慢速固化，固化完全后冷卻至室溫，脫模，得到滿足要求的石墨烯與環氧樹脂復合材料。

本發明具有的優點在于：