定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料及其制备方法，其特征在于组份为：0.1～50质量分数的GNS@Fe3O4、0.1～50质量分数的超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯、100质量分数的二苯甲烷型双马来酰亚胺和10～100质量分数的二烯丙基双酚A。本发明专利技术既可抑制石墨烯因π-π堆积而团聚的缺陷，又可赋予石墨烯磁响应性，调控石墨烯在树脂中的分布形态，同时又能充分发挥石墨烯与Fe3O4在减摩抗磨性方面的协同效应，使所制备的复合材料具有高韧性、高强度、超耐磨、自润滑等特点。

【技术实现步骤摘要】
定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料及其制备方法
本专利技术属于先进复合材料科学
，具体涉及一种定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维蜂窝状晶格材料，这种独特的结构使其除了具有极高的热导率和载流子迁移率外，还具有诸多优异的性能，如高达130GPa的本征强度，比钢高100倍，是目前强度最高的材料。同时，其类似碳纳米管的结构使其具有良好的韧性和润滑性，可应用与增强、减摩、抗磨等材料的制备。Fe3O4磁性纳米粒子因其独特的减摩抗磨和磁学特性，如高强度、超顺磁性和高矫顽力，本专利技术在磁场诱导下采用共沉淀将棒状纳米Fe3O4负载到石墨烯上(GNS@Fe3O4)，这种方式负载的棒状的Fe3O4结构，不同于球状的Fe3O4。它不仅可解决石墨烯易聚集的缺陷，赋予石墨烯一定的磁响应性，更主要的是可起到类似磁针的作用，为调控石墨烯的定向分布奠定基础。另外，石墨烯与Fe3O4的完美结合科充分发挥二者优异的减摩抗磨性，从而满足其在超耐磨复合材料、医学以及电学等不同领域的应用需求。双马来酰亚胺树脂由是以马来酰亚胺为活性端基的双官能团化合物，具有优异的耐热性、电绝缘性、透波性，但其韧性和减摩耐磨性较差。无机的纳米粒子如Si3N4、SiO2以及碳纳米管等虽然能在一定程度上能改善其韧性和耐磨性，但仍不能满足高性能工程领域中的要求。近年来，石墨烯优异的摩擦性能已引起了人们越来越多的关注，其片层滑动、摩擦磨损机理及在摩擦领域的应用已有诸多研究和报道。近期的研究发现，石墨烯能显著提高双马来酰亚胺树脂的摩擦学性能，但是由于石墨烯自身的摩擦性能存在各向异性，如何调控石墨烯在树脂中的分布形态、充分发挥其优异性能是摩擦材料领域亟需解决的一个难题。本专利技术采用磁场诱导的方式，以含有二烯丙基双酚A改性的双马来酰亚胺树脂(BMI)为改性对象，在其固化过程中调控石墨烯在树脂中的分布形态，使所形成的复合材料具有多层次结构。这种多层次的结构和制备方法能充分发挥石墨烯在摩擦性能方面各向异性的特征，更好的改善双马来酰亚胺树脂的韧性和耐磨性。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料及其制备方法。技术方案一种定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料，其特征在于组份为：0.1～50质量分数的GNS@Fe3O4、0.1～50质量分数的超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯、100质量分数的二苯甲烷型双马来酰亚胺和10～100质量分数的二烯丙基双酚A；所述各组分的质量百分比之和为100％。所述GNS@Fe3O4是在静磁场下采用共沉淀法将棒状的Fe3O4负载到石墨烯表面得到的GNS@Fe3O4。所述超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯采用专利技术专利ZL201210234077.6所公布的超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯。一种制备所述任一项定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将质量分数为5～25份的氧化石墨烯、40～100份的FeCl3·6H2O和10～40份的FeCl2·4H2O分散到10000～20000份的去离子水中，在100～300W的功率下超声分散10～30min后，加入0.4mol/L的NaOH水溶液调节pH＝11，在0.05～0.5T磁场中，加热，50～80℃反应2h后，加入50～200份的水合肼升温至98℃反应4h，抽滤，洗涤，真空干燥后，得到GNS@Fe3O4；步骤2：将质量分数为0.1～50份的GNS@Fe3O4、0.1～50份的超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯、100份的二苯甲烷型双马来酰亚胺和10～100份的二烯丙基双酚A混合，加热至130～160℃，熔融，，倒入模具中，脱泡，置于0.05～0.5T的静磁场中固化，固化工艺为150℃/2h+180℃/2h+220℃/4h，然后自然冷却，脱模后，在250℃下后处理2h，得到定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料。有益效果本专利技术提出的一种定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料及其制备方法，既可抑制石墨烯因π-π堆积而团聚的缺陷，又可赋予石墨烯磁响应性，调控石墨烯在树脂中的分布形态，同时又能充分发挥石墨烯与Fe3O4在减摩抗磨性方面的协同效应，使所制备的复合材料具有高韧性、高强度、超耐磨、自润滑等特点。首先，本专利技术是在磁场诱导下在石墨烯表面负载上具有棒状结构的Fe3O4而不是通常的球状结构。这是由于棒状的Fe3O4不仅能够有效降低石墨烯以及其自身的聚集，而且棒状的Fe3O4分布在石墨烯的表面，能够像“磁针”一样在磁场的作用下诱导石墨烯的排列方式，在复合材料的固化过程中，可以使GNS@Fe3O4定向分布到材料的次表面。另外，棒状的Fe3O4与片状的石墨烯的复合，可以抑制石墨烯因柔软而在树脂中卷曲不能充分伸展的缺陷，有效提高石墨烯的支撑作用，从而使这种“片与棒”的结构能够在树脂基体中起到类似“钢筋与泥水”的作用，有效提高树脂的强度。因此，可以说，本专利技术专利可以充分发挥石墨烯在摩擦性能方面存在各向异性的特征，在树脂基体表面形成一层具有减摩、抗磨性能的耐磨层，从而极大地提高其在摩擦中的作用效率，而分布在复合材料内部的超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯主要起到增强增韧的作用。附图说明图1：GNS@Fe3O4的制备工艺图2：定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料的制备示意图具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：由于石墨烯本身易团聚且其摩擦性能存在各向异性。因此，如何更好地发挥其对BMI树脂的增强增韧和减摩抗磨作用是目前摩擦材料领域研究的关键问题。本专利技术首先在磁场诱导下采用共沉淀法将棒状Fe3O4负载到石墨烯表面，得到GNS@Fe3O4。接着，将GNS@Fe3O4和HBP-RGO加入BMI预聚体中在磁场作用下进行诱导分布，这样，GNS@Fe3O4主要分布在复合材料的次表层，起减摩抗磨的作用；而HBP-RGO主要分布在复合材料的内部，起到增强增韧的效果，从而使制备的复合材料具有优异的力学性能和摩擦学性能。本专利技术所采用的技术方案是：首先，在静磁场下采用共沉淀法将棒状的Fe3O4负载到石墨烯表面，得到GNS@Fe3O4。这样可抑制石墨烯与Fe3O4易聚集的缺陷，同时使其二者在充分发挥其二者优异性能的同时能够在复合材料中发挥一定的协同作用。其制备原理如附图1所示。接着，将GNS@Fe3O4以及超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯加入BMI预聚体中，在磁场诱导下进行固化，使所形成的复合材料具有多层次结构，即GNS@Fe3O4主要分布在复合材料的次表层，超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯(HBP-RGO)主要分布在复合材料的内部。其成型示意图如附图2所示。本专利技术具体实施方式步骤1：将质量分数为5～25份的氧化石墨烯、40～100份的FeCl3·6H2O和10～40份的FeCl2·4H2O分散到10000～20000份的去离子水中，在100～300W的功率下超声分散10～30min后，加入0.4mol/L的NaOH水溶液调节pH＝11，在0.05～0.5T磁场中，加热，50～80℃反应2h后，加入50～200份的水合肼升温至98℃反应4h，抽滤，洗涤，真空干燥后，即得GNS@Fe3O4。步骤2：将质量分数为0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料，其特征在于组份为：0.1～50质量分数的GNS@Fe3O4、0.1～50质量分数的超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯、100质量分数的二苯甲烷型双马来酰亚胺和10～100质量分数的二烯丙基双酚A；所述各组分的质量百分比之和为100％。

【技术特征摘要】
1.一种定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料，其特征在于组分为：0.1～50质量份数的GNS@Fe3O4、0.1～50质量份数的超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯、100质量份数的二苯甲烷型双马来酰亚胺和10～100质量份数的二烯丙基双酚A；所述各组分的质量百分比之和为100％；所述GNS@Fe3O4是在静磁场下采用共沉淀法将棒状的Fe3O4负载到石墨烯表面得到的GNS@Fe3O4。2.根据权利要求1所述定向石墨烯/双马来酰亚胺多层次复合材料，其特征在于：所述超支化聚硅氧烷修饰的石墨烯的制备步骤如下：步骤1：将氧化石墨和烯丙基乙氧基硅烷按质量比1:1～10混合,加入100～1000mL95％乙醇，调节pH值为3～6，用超声波分散1～4h,然后在40℃～80℃反应2～6h；之后加入10～80mL水合肼及20～80mL氨水，在50℃～100℃进行还原，反应2～6h后，抽滤,洗涤，真空干燥12h,得到烯丙基硅烷接枝的石墨烯；步骤2：烯丙基硅烷接枝的石墨烯与甲基双(二甲基乙烯基硅氧基)硅烷按照1:1～500质量比例混合，加入0.1～4％Pt/C催化剂，在氮气保护条件下于30℃～80℃下反...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜红侠，刘超，贾园，陈争艳，吕青，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61