石墨烯/纤维增强高分子复合材料及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯/纤维增强高分子复合材料，包括石墨烯、纤维和聚合物，其中，所述石墨烯为其表面接枝氮磷化合物形成的功能化石墨烯，所述纤维优选为氮磷化合物接枝的短纤维。基于所述复合材料制造的成型体，例如盖板或步行板组件，不仅具有良好的力学强度、阻燃性能、耐久性能，且具有比重小、抗变形能力大等特点，进而其构造的盖板或步行板也具备力学强度大、阻燃性能好等特点。

Graphene / fiber reinforced polymer composites and their applications

The invention provides a graphene / fiber reinforced polymer composites, including graphene, fiber and polymer, wherein the functionalized graphene graphene as the nitrogen and phosphorus of the grafted compound formation, the fiber is preferably short fiber grafted compounds of nitrogen and phosphorus. Molding the composite material based on body, such as a flat plate or walking components, not only has the flame retardant properties, mechanical strength, good durability, and has the characteristics of low density, large anti deformation ability, and then cover the constructed or walking board has the characteristics of high mechanical strength, good flame retardant performance etc..

【技术实现步骤摘要】
石墨烯/纤维增强高分子复合材料及其应用
本专利技术涉及土木工程
，具体涉及一种石墨烯/纤维增强高分子复合材料，以及基于所述复合材料制备的成型体及成型体的制备方法和应用，还涉及一种盖板。
技术介绍
列车在隧道内运行通过时，由于列车截面积与隧道截面积之比比较大，且隧道长度较大，列车运行速度快，列车会在隧道内产生较大侧向风压的“活塞效应”，会对隧道内存放的通信、信号、电力、排水等设备产生破坏。此外，随着高速铁路客运专线大规模建设，隧道越来越多，隧道内防火和救援设计问题越来越突出。盖板作为保证隧道内列车安全及人员疏散与救援的重要手段之一，其设置的必要性显得尤为突出。考虑到防火救援维护需要、冰冻和其它物质溅射对设备造成损坏，所有水沟及电缆均需配备盖板。但是，目前国内由于对盖板的性能还没有统一标准，且对盖板要求较高，不仅要求经济适用性好、施工简便和耐久性，还需要较高的力学强度、耐水、耐酸碱和油，且还需要优异的阻燃性能。现有金属或无机非金属材料盖板因为比重大、抗变形能力差，且安装不方便。因此，必须研制新型盖板，以满足近年来我国高速铁路快速发展和普速铁路改造后大面积提速的需要。传统纤维增强高分子复合材料，因为高强、耐水、耐酸碱和油，且比重小、抗变形能好，安装方便，有望取代现有的金属或无机非金属材料盖板。但是，纤维与聚合物的相容性不佳，形成的传统纤维增强高分子复合材料容易燃烧，因而大大限制其在盖板中应用。针对上述问题，在纤维增强高分子复合材料添加阻燃剂，以满足使用要求。其中无机阻燃剂是目前应用最为广泛的阻燃剂，具有绿色无毒、效果持久、不易挥发、来源广泛、价格低廉等优点，比较适合用于纤维增强高分子复合材料盖板中。但是，无机阻燃剂也存在阻燃效率低、添加量大、与聚合物相容性差等缺点。因此，研发阻燃效率高、添加量小、易于与聚合物基体相容的无机阻燃剂是当前行业内的研究热点，也是研究难点。针对上述现有技术状况，在我国高速铁路快速发展和普速铁路改造后大面积提速的背景下，亟待开发出适用于制备具备阻燃性能好、力学强度高、耐腐蚀等特点的盖板的复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯/纤维增强高分子复合材料，基于该复合材料制备的成型体，尤其是基于该复合材料经过模压成型制备的具有良好的阻燃性、力学性能和耐腐蚀的盖板组件。本专利技术的目的还在于提供所述成型体或盖板组件的制备方法，包括功能化石墨烯的制备步骤。通过该制备方法的简单步骤有效地制备具有提高的阻燃性能和力学性能的盖步板。此外，本专利技术的目的还在于提供一种盖板，其盖板主体基于本专利技术提供的石墨烯/纤维增强高分子复合材料。根据本专利技术的一个方面，提供了一种石墨烯/纤维增强高分子复合材料，包括石墨烯、纤维和聚合物，其中，所述石墨烯为其表面接枝氮磷化合物形成的功能化石墨烯。优选地，所述氮磷化合物为如式一所示的氮磷化合物，其中，m、n各自独立地为2-5的整数，优选为3-4；A、B、C、A1、B1和C1各自独立地为H、-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3、-CH(CH3)2、-CO-CH3、-CO-CH2CH3或-CO-CH2CH2CH3，优选为-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3或-CO-CH3，更优选为-CH2CH3；a、b和c各自独立地为H、-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3、-CH(CH3)2、-O-CH3或-O-CH2CH3，优选为H、-CH3、-CH2CH3或-O-CH3，更优选为H。在本专利技术提供的复合材料中，石墨烯加入高分子基体中，不仅有效增加高分子复合材料的力学强度，且通过石墨烯的片层结构的阻挡作用，隔绝了聚合物表面与外界的热与质的交换，从而获得良好阻燃效果。在本专利技术中，为了进一步提高石墨烯的阻燃效果，专利技术人在石墨烯表面接枝如上述式一所示的氮磷化合物。石墨烯经过所述氮磷化合物功能化修饰后，在很大程度上提高了消烟阻燃的作用，从而提供了所述复合材料成型体的阻燃性能，与此同时不会实质增加导热材料的比重。在本专利技术的复合材料中，所使用的石墨烯优选为功能化的石墨烯，例如氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯、氨基化石墨烯、巯基化石墨烯、羰基化石墨烯等，优选为氧化石墨烯。氧化石墨烯的性能突出，研究和应用范围较为广泛，因此相对易于获得。对于氧化石墨烯的结构，普遍接受的结构模型是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。因此，氧化石墨烯更易于与如式一所示的氮磷化合物发生反应，形成表面接枝所示氮磷化合物的阻燃功能性强化的石墨烯。磷酸酯是一种常用阻燃剂。然而，在本专利技术中选用了具有基本结构的含磷且含氮的化合物作为石墨烯的阻燃增强修饰剂，发现此类氮磷化合物特别适用于本专利技术的复合材料的体系中，能显著提高材料的阻燃性。在氮磷化合物与石墨烯形成的功能化修饰体系中，氮磷化合物的苯环与石墨烯芳香环之间形成的内在相互作用可以提高功能化石墨烯本身的自分散性，防止其自身的团聚或者在复合材料的复配过程中发生团聚。另外，本专利技术选用的氮磷化合物结构中具有硅氧烷基团，通过这些基团，氮磷化合物能有效地与石墨烯形成高度结合，从而增加接枝结构的稳定性，使整个氮磷化合物分子牢牢地连接于石墨烯表面，形成具有高阻燃性能的功能化石墨烯。本专利技术使用的氮磷化合物结构简单，容易制备，如前所述，其可以直接与石墨烯形成紧密连接，不需要中间体来链接，简化了复合材料的制备方法。根据本专利技术的优选实施方式，使用的如式一所示的氮磷化合物结构中，A、B和C相同，A1、B1和C1相同，a和b为H或c为H；进一步优选地，A、B、C、A1、B1和C1相同，c为H，m＝n；更进一步优选地，A、B、C、A1、B1和C1相同，选自-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3或-CO-CH3，a、b和c均H，m＝n。氮磷化合物具有对称性结构时，可增加其自身的稳定性，增加其在石墨烯表面的接枝率，还可增加接枝形成的功能化石墨烯整体结构的稳定性。在一个特别优选的实施方式中，如式一所示的氮磷化合物中，m和n均为3，A、B、C、A1、B1和C1均为-CH2CH3，a、b和c均为H。在该实施方式中，氮磷化合物基本结构两侧为对称性的硅乙烷结构，基本结构中的苯未被取代，在保证良好的阻燃和连接效果的情况下，其本身结构简单、稳定，更易于制备，且价格低廉。根据本专利技术的优选实施方式，所述功能化石墨烯表面还负载二茂铁和/或二茂铁衍生物纳米粒子。即，所述功能化石墨烯是如式一所示的氮磷化合物接枝的石墨烯与二茂铁或其衍生物形成的复合体，结构如附图1所示。铁离子与石墨烯表面的环氧基团或羟基基团之间形成吸附作用。包含二茂铁和/或二茂铁衍生物的功能化石墨烯可通过将氮磷化合物接枝的石墨烯和二茂铁和/或二茂铁衍生物加入醇溶液中，在一定温度例如150-170℃下反应来制得。二茂铁是一种具有芳香族性质的有机过渡金属化合物，铁原子处在两个平行的环戊二烯的环之间。二茂铁衍生物在二茂铁基础上进行修饰衍生而来，例如乙酰二茂铁、二氯二茂铁膦等。在本专利技术中，原则上，只要不与所述复合材料中的其他成分发生反应并导致不良后果例如影响复合材料成型体的阻燃性、力学性能和耐酸、碱、热性能等的二茂铁衍生物，均可以使用。针对石墨烯材料在混合于高分子材料过程中容易发生团聚叠加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/纤维增强高分子复合材料，包括石墨烯、纤维和聚合物，其中，所述石墨烯为其表面接枝如式一所示的氮磷化合物的功能化石墨烯，

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/纤维增强高分子复合材料，包括石墨烯、纤维和聚合物，其中，所述石墨烯为其表面接枝如式一所示的氮磷化合物的功能化石墨烯，其中，m、n各自独立地为2～5的整数；A、B、C、A1、B1和C1各自独立地为H、-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3、-CH(CH3)2、-CO-CH3、-CO-CH2CH3或-CO-CH2CH2CH3；a、b和c各自独立地为H、-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3、-CH(CH3)2、-O-CH3或-O-CH2CH3；优选A、B和C相同，A1、B1和C1相同，且a和b为H或c为H。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，如式一所示的氮磷化合物中，m和n均为3，A、B、C、A1、B1和C1均为-CH2CH3，a、b和c均为H。3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述功能化石墨烯表面还负载二茂铁和/或二茂铁衍生物纳米粒子；优选所述纳米粒子的平均粒径为5～50nm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述纤维为如式一所示的氮磷化合物接枝在纤维基体表面形成的功能化纤维；优选所述纤维基体为玻璃纤维、碳纤维和玄武岩纤维中的至少一种；还优选所述纤维的长度为0.1-2.0mm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述聚合物为不饱和聚酯树脂，优选还包括酚醛树脂；优选所述酚醛树脂含量为所述聚合物总重量的1-35重量％。6.根据权利要求1-5中任一项所述的复合材料，其特征在于，基于100重量份聚合物计，所述复合材料包含0.2-10重量份、优选0.8-6重量份的功能化石墨烯和20-80重量份、优选40-60重量份的纤维；优选所述100重量份聚合物中包括5-35重量份、优选15-30重量份，更优选20-25重量份的酚醛树脂。7.一种石墨烯/纤维增强高分子复合成型体，其通过利用如权利要求1-6中任一项所述的石墨烯/纤维增强高分子复合材料进行模压成型制得。8.一种如权利要求7所述的石墨烯/纤维增强高分子复合成型体的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：马伟斌，林传年，马荣田，郭小雄，王志伟，付兵先，马超锋，柳墩利，张伟，安哲立，常凯，邹文浩，赵鹏，牛亚彬，李尧，张文达，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，中国铁路经济规划研究院，中国铁道科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11