[發(fā)明專利]一種石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710374012.4
• 申請(qǐng)日: 2017-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN107459774A
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 錢濤;劉海龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江創(chuàng)元生態(tài)環(huán)保技術(shù)有限公司;錢濤
• 主分類號(hào): C08L63/00
• 分類號(hào): C08L63/00;C08K9/06;C08K3/36;C08K3/04
• 代理公司: 廣州市越秀區(qū)哲力專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)44288
• 代理人: 胡擁軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及涉及新材料化學(xué)合成領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

環(huán)氧樹脂泛指分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)化合物，是一類具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性，以及固化收縮率低、易加工成型和成本低廉的熱固性樹脂，可以作為涂料、膠黏劑和成型材料，廣泛應(yīng)用于電氣、電子、光學(xué)機(jī)械、工程技術(shù)、土木建筑等領(lǐng)域。但是由于環(huán)氧樹脂固化后分子鏈形成互相交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)外表現(xiàn)為阻止裂紋擴(kuò)展能力差、脆性很大、耐沖擊性較差等，大大限制了其應(yīng)用，因此需要對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行增強(qiáng)/增韌改性。大量研究表明，無(wú)機(jī)剛性納米粒子的引入會(huì)使環(huán)氧樹脂基體的局部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，通過(guò)脫粘、空化、三維應(yīng)力約束的解除，為基體的剪切屈服提供應(yīng)力條件，從而提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。

硅溶膠為納米級(jí)的二氧化硅顆粒在水中或溶劑中的分散液。由于硅溶膠中的SiO₂含有大量的水及羥基，故硅溶膠也可以表述為SiO₂·nH₂O。納米二氧化硅表面羥基含量較高，可與環(huán)氧樹脂上的羥基和環(huán)氧基進(jìn)行結(jié)合，使得納米材料和被改性的環(huán)氧樹脂在界面上進(jìn)行有效的結(jié)合。但納米二氧化硅本身具有較強(qiáng)的親水性和自聚性，很難高度均勻分散在環(huán)氧樹脂體系中，制備納米二氧化硅改性環(huán)氧樹脂最常用的為共混法，共混法首先制備出各種形態(tài)的納米粒子，再通過(guò)各種方式將其與環(huán)氧樹脂混合；為防止納米粒子團(tuán)聚，共混前要對(duì)納米粒子進(jìn)行表面修飾，來(lái)提高其分散穩(wěn)定性。

石墨烯是由碳原子sp²雜化構(gòu)成的二維層狀材料，其厚度僅為單層碳原子厚度。因?yàn)槭┚哂袃?yōu)于傳統(tǒng)碳材料的導(dǎo)電性及強(qiáng)機(jī)械性等，且在聚合物中加入少量石墨烯就可以顯著提高復(fù)合材料的機(jī)械性能、導(dǎo)電性能以及熱穩(wěn)定性等各方面的性能。但是，這種優(yōu)異性能的表現(xiàn)是以石墨烯在聚合物中能夠均勻分散為前提的。由于石墨烯不親水也不親油，且反應(yīng)活性較低，再加上其相鄰片層之間易產(chǎn)生強(qiáng)烈的堆疊趨勢(shì)，導(dǎo)致其在聚合物中容易發(fā)生團(tuán)聚，使得聚合物復(fù)合材料的性能受到影響。通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行功能性改性，提高石墨烯在環(huán)氧樹脂中的分散性，使得石墨烯的光、電、聲、磁特性和疏水性、耐熱性等性能在環(huán)氧樹脂中得到很好地發(fā)揮。

近年來(lái)，人們加強(qiáng)了對(duì)石墨烯材料的研究，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)石墨烯的量產(chǎn)技術(shù)，但在現(xiàn)有技術(shù)中還未出現(xiàn)直接采用商品化石墨烯和納米二氧化硅對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法，先對(duì)硅溶膠和石墨烯進(jìn)行偶聯(lián)劑修飾，然后與環(huán)氧樹脂共混，實(shí)現(xiàn)良好的分散，有效的提高環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度和韌性，而且制備方法簡(jiǎn)單溫和，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的目的之二在于提供由上述方法制備得到的石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

本發(fā)明的目的采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)修飾石墨烯：將石墨烯用稀釋劑稀釋，然后與硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行混合，常溫?cái)嚢璺磻?yīng)2-4小時(shí)，得到硅烷偶聯(lián)劑修飾的石墨烯；

(2)修飾硅溶膠：將硅溶膠用稀釋劑稀釋，然后與硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行混合，常溫?cái)嚢璺磻?yīng)4-6小時(shí)，得到硅烷偶聯(lián)劑修飾的硅溶膠；

(3)攪拌混合：將步驟(1)制備得到的硅烷偶聯(lián)劑修飾的石墨烯和步驟(2)制備得到的硅烷偶聯(lián)劑修飾的硅溶膠與環(huán)氧樹脂進(jìn)行攪拌混合，超聲后得到石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂混合液；

(4)交聯(lián)固化：在步驟(3)制備的石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂混合液中加入固化劑進(jìn)行交聯(lián)固化，得到石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

進(jìn)一步的，所述步驟(4)交聯(lián)固化條件為加入固化劑后攪拌混合20min，然后升溫至50℃，真空度0.1MPa下，真空抽氣30-60min，倒入模具中，升溫到90℃保溫2h，130℃保溫3h，170℃保溫2h，室溫冷卻，得到石墨烯/納米二氧化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中稀釋劑用量為石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10-20％；硅烷偶聯(lián)劑用量為石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10-40％；所述步驟(2)中稀釋劑用量為硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10-20％，硅烷偶聯(lián)劑用量為硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10-40％；所述石墨烯用量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5-20％，所述硅溶膠用量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10-50％；

進(jìn)一步的，所述固化劑與所述環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1:1-4。