高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，属于新材料技术领域，包括如下步骤：硅酸四乙酯与3‑氨基丙基三乙氧基硅烷混合，并调节pH值，反应得溶液1，将溶液1加入到氧化石墨烯的乙醇和水混合溶液中，反应得氧化石墨烯/SiO

【技术实现步骤摘要】
高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法
高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，本专利技术属于新材料
，具体涉及石墨烯二氧化硅纤维复合材料

技术介绍
随着汽车工业及电缆行业的发展，环保、资源、能源等几大因素促使轻量化走上日程。节省资源和减少对环境的污染是其迫切需要解决的两大问题，在轻量化的大势所趋下，具有一定强度和刚度并轻质化的新材料应运而生。而塑料制品具有良好的性能、低廉的价格、简单的加工工艺。目前的轻量化技术主要是采用轻质的纤维用于增强和减重，具有一些特定优异的性能：材料轻质化，能最大限度的降低结构自重；可加工性好，适合形状复杂部件加工；塑料制品弹性变形大等优势。主要的纤维包括了碳纤维、植物纤维、有机纤维和玻璃纤维等。但是使用该种方式的技术基本已经走到尽头了，且采用连续纤维增强的工艺较复杂且不适用于注塑、二次回收利用困难等等问题。石墨烯是一种由碳经过sp2杂化以后组成具有一个原子层厚度的二维材料，其具备优异的力、热、光、电等性能，此外还具有高达2600m2/g的超高比表面积和100倍于钢的超高强度，且具有很好的柔韧性和伸展性。因而，石墨烯是一种理想和轻质的增强材料。但是，石墨烯做为一种具有很大的径厚比，在加工的过程极容易出现片层的卷曲、二次跺叠等问题，而这些情况在高分子材料中就是缺陷，因而到目前为止，石墨烯应用在高分子材料中具有很大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，以解决现有的由于在加工的过程极容易出现片层的卷曲、二次跺叠等问题，导致石墨烯应用于高分子材料具有很大问题的缺陷。本专利技术采用的技术方案如下：高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1、硅酸四乙酯与3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合，并调节pH值，反应得溶液1，将溶液1加入到氧化石墨烯的乙醇和水混合溶液中，反应得氧化石墨烯/SiO2复合颗粒；步骤2、取氧化石墨烯/SiO2复合材料放入石英器皿中，后置于充满惰性气体保护的马弗炉中，温度控制在400-2000℃，烧结时间为0.5-5h，获得石墨烯/SiO2纤维的复合材料；步骤3、将高分子材料加入到挤出机中，在挤出机的后端，待高分子材料完全塑化以后，加入石墨烯/SiO2纤维的复合材料，获得石墨烯/SiO2协同增强的复合材料成品。本申请的技术方案中，首先，3-氨基丙基三乙氧基硅上的氨基可以和氧化石墨烯上的环氧基团(C-O-C)键进行开环反应从而接枝到氧化石墨烯上，进而将SiO2颗粒固定在氧化石墨烯上，其次，-NH2带正电荷，可以和氧化石墨烯发生静电结合，使多余的SiO2颗粒固化到氧化石墨烯片上；将氧化石墨烯/SiO2复合颗粒通过热处理，氧化石墨烯通过热还原形成了石墨烯，而二氧化硅则形成了纤维状的形貌，石墨烯具有优异的力学性能，引入到聚合物中可以显著增强聚合物的力学性能，但是其界面结合作用很弱，导致其很难实现优异的力学性能，而SiO2纤维的引入可以达到如下的目的：第一，SiO2纤维做为纤维类的填料引入，其纤维本身可以对聚合物进行增强，第二，石墨烯和SiO2纤维为共价结合，从而有效的增强了石墨烯和聚合物基体的界面结合，从而起到协同增强的作用，第三，石墨烯与SiO2形成的三维结构有利于在进一步的增强复合材料的力学性能，第四，纤维的引入能增强石墨烯的分散，防止石墨烯的二次“跺叠”。本申请是在待高分子材料完全塑化以后，加入石墨烯/SiO2纤维的复合物料，防止高分子固体颗粒与石墨烯/SiO2之间的摩擦导致的部分脱落以及破坏掉形成的三维空间，塑化以后高分子材料具有低粘性，可以很好的填充在三维结构中，同时，石墨烯/SiO2纤维具有超低的密度，引入到聚合物中可以降低复合材料的密度，此外，因石墨烯与SiO2纤维的共价键合以及协同增强，获得的材料具有高强、轻质、耐磨且耐候等的特性，应用于汽车及线缆领域中。优选的，步骤1中，按重量份计，硅酸四乙酯3-30份，3-氨基丙基三乙氧基硅烷2-20份，氧化石墨烯的乙醇和水混合溶液50-95份。更为优选的，步骤1中，按重量份计，硅酸四乙酯6份，3-氨基丙基三乙氧基硅烷4份，氧化石墨烯的乙醇和水混合溶液90份。优选的，乙醇和水混合溶液中，乙醇和水的质量比为1-8:1。更为优选的，乙醇和水混合溶液中，乙醇和水的质量比为1:1。更为优选的，氧化石墨烯在乙醇和水混合溶液中的质量分数为0.1-10％。优选的，步骤1中用乙酸调节pH值至3-6。更为优选的，步骤1中调节pH后反应时间为1-3h。优选的，步骤1中，将溶液1加入到氧化石墨烯的乙醇和水混合溶液中，再反应的时间为0.5-2h。优选的，步骤2中，温度控制在600℃，烧结时间为1h。优选的，步骤3中，高分子材料包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、ABS、尼龙、聚乙烯中的一种或者多种。优选的，步骤3中，石墨烯/SiO2纤维的复合物料的加入量为高分子材料质量的0.1-10％。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术中，SiO2原位共价改性氧化石墨烯，首先，3-氨基丙基三乙氧基硅上的氨基可以和氧化石墨烯上的环氧基团(C-O-C)键进行开环反应从而接枝到氧化石墨烯上，进而将SiO2颗粒固定在氧化石墨烯上，其次，-NH2带正电荷，可以和氧化石墨烯发生静电结合，使多余的SiO2颗粒固化到氧化石墨烯片上；2、本专利技术中，将氧化石墨烯/SiO2复合颗粒通过热处理，氧化石墨烯通过热还原形成了石墨烯，而二氧化硅则形成了纤维状的形貌；3、本专利技术中，石墨烯具有优异的力学性能，引入到聚合物中可以显著增强聚合物的力学性能，但是其界面结合作用很弱，导致其很难实现优异的力学性能，而SiO2纤维的引入可以达到如下的目的：第一，SiO2纤维做为纤维类的填料引入，其纤维本身可以对聚合物进行增强，第二，石墨烯和SiO2纤维为共价结合，从而有效的增强了石墨烯和聚合物基体的界面结合，从而起到协同增强的作用，第三，石墨烯与SiO2形成的三维结构有利于在进一步的增强复合材料的力学性能，第四，纤维的引入能增强石墨烯的分散，防止石墨烯的二次“跺叠”；4、本专利技术是在待高分子材料完全塑化以后，加入石墨烯/SiO2纤维的复合物料，防止高分子固体颗粒与石墨烯/SiO2之间的摩擦导致的部分脱落以及破坏掉形成的三维空间，塑化以后高分子材料具有低粘性，可以很好的填充在三维结构中；5、本专利技术中，石墨烯/SiO2纤维具有超低的密度，引入到聚合物中可以降低复合材料的密度；6、本专利技术中，由于石墨烯同时还具有优异的耐磨、耐磨等附加性质，因此本申请的复合材料高强、轻质、耐磨且耐候，主要应用在汽车及线缆工业中。附图说明图1为本专利技术实施例1氧化石墨烯/SiO2复合颗粒的电镜图；图2为本专利技术石墨烯/二氧化硅纤维复合材料合成路线路。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、硅酸四乙酯与3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合，并调节pH值，反应得溶液1，将溶液1加入到氧化石墨烯的乙醇和水混合溶液中，反应得氧化石墨烯/SiO

【技术特征摘要】
1.高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、硅酸四乙酯与3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合，并调节pH值，反应得溶液1，将溶液1加入到氧化石墨烯的乙醇和水混合溶液中，反应得氧化石墨烯/SiO2复合颗粒；
步骤2、取氧化石墨烯/SiO2复合材料放入石英器皿中，后置于充满惰性气体保护的马弗炉中，温度控制在400-2000℃，烧结时间为0.5-5h，获得石墨烯/SiO2纤维复合材料；
步骤3、将高分子材料加入到挤出机中，在挤出机的后端，待高分子材料完全塑化以后，加入石墨烯/SiO2纤维的复合物料，获得石墨烯/SiO2协同增强的复合材料成品。


2.根据权利要求1所述的高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，按重量份计，硅酸四乙酯3-30份，3-氨基丙基三乙氧基硅烷2-20份，氧化石墨烯的乙醇和水混合溶液50-95份。


3.根据权利要求1或2所述的高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，其特征在于，乙醇和水混合溶液中，乙醇和水的质量比为1-8:1。


4.根据权利要求3所述的高强、质轻的石墨烯/二氧化硅纤维复合材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋家德，赵长洪，周伟，姜珂，杨颖，
申请(专利权)人：四川六九一二科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51