柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯-环氧树脂复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯

【技术实现步骤摘要】
柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术专利属于复合材料
，具体涉及一种具有无机纳米颗粒弥散强化柔性线型高分子界面层的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]环氧树脂具有工艺性能良好、综合力学性能好、成本低等优点，是目前应用最广的结构复合材料基体。高性能的碳纤维增强的环氧树脂基复合材料已经作为主承力构件在汽车、游艇和航空航天飞行器等领域大量应用。然而，环氧树脂较低的强度和韧性严重制约了它们在复合材料中的进一步应用。改善环氧树脂基体的强度和韧性已成为目前亟需解决的问题。采用纳米材料对环氧树脂进行改性，以纳米材料
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环氧树脂复合体系作为碳纤维增强的环氧树脂基复合材料的基体材料，是解决上述问题的一种有效途径。
[0003]氧化石墨烯作为一种二维纳米材料，除了具有与石墨烯类似的低密度、高强度、高模量和高韧性的特点外，还具有表面含活性含氧基团，与有机物相容性好、易于表面改性的优点，被认为是树脂基复合材料的理想增强体。而且，石墨烯还具有与碳纤维相当的热膨胀系数，将其加入到碳纤维增强复合材料的环氧树脂基体中，有利于降低基体的热膨胀系数，改善基体与碳纤维增强体间的热膨胀系数差异过大的问题。
[0004]然而，氧化石墨烯存在易团聚、与环氧树脂界面结合力较弱的缺点，限制了氧化石墨烯增强的环氧树脂力学性能的有效提升。解决这一问题的主要方法是对氧化石墨烯进行表面改性。在氧化石墨烯表面接枝能在氧化石墨烯和环氧树脂之间形成化学键连接的高分子物质是目前常用且有效的一种表面改性手段。当在氧化石墨烯表面接枝的高分子物质是大分子量的柔性线型高分子时，此表面改性不仅会使氧化石墨烯在环氧树脂中具有更好的分散性，而且在氧化石墨烯与环氧树脂间可以形成柔性界面，改善氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料的韧性。这可以有效解决环氧树脂因脆性大而应用受限的问题。这种增韧的机制是通过柔性界面层的非弹性变形来耗散能量，提高氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料的韧性的。因此，氧化石墨烯表面接枝的柔性线型高分子物质的分子量越大，在氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料中形成的界面层柔性越好，越有利于增韧。但这种由柔性线型高分子形成的界面存在应力传递效率低的缺点，从而造成现有的柔性线型高分子物质接枝的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料强度相对较低，这不利于这种复合材料的应用。因此，如何同时有效提高氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料的强度和韧性，是一个需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决现有的柔性线型高分子物质接枝的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料因柔性界面应力传递效率较低而导致复合材料强度相对较低的问题，使它们同时具有高的强度和韧性，本专利技术将无机纳米颗粒弥散强化理论和柔性界面韧化理论相结合，在氧化石墨烯和树脂基体之间创造性地设计和制备了具有复合效应、刚柔并济的无机纳米颗粒弥散强化
的柔性界面，从而在界面层区域实现柔性高分子物质与刚性无机颗粒的优势互补，使界面层既可以通过一定量的柔性高分子物质非弹性变形来实现韧化；又能通过弥散无机颗粒限制柔性高分子界面物质产生过大的非弹性变形，使界面层保持高效的应力传递效率。达到制得同时具有高强度和高韧性的柔性线型高分子和无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料的目的。
[0006]本专利技术通过在柔性线型高分子物质接枝的氧化石墨烯的表面进一步接枝刚性的无机纳米颗粒，形成柔性线型高分子和无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯；再将该复合改性石墨烯和环氧树脂复合；复合后氧化石墨烯与环氧树脂之间会形成无机纳米颗粒弥散强化的柔性界面。
[0007]本专利技术所述的柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料是由氧化石墨烯、线型高分子、硅烷偶联剂、无机纳米颗粒和环氧树脂组成的。其中，线型高分子、硅烷偶联剂和无机纳米颗粒位于氧化石墨烯和环氧树脂之间，并形成了无机纳米颗粒弥散强化柔性线型高分子界面层。在无机纳米颗粒弥散强化柔性线型高分子界面层中，线型高分子接枝在氧化石墨烯表面；硅烷偶联剂接枝在无机纳米颗粒表面，而无机纳米颗粒弥散于线型高分子中并通过表面的硅烷偶联剂与线型高分子形成了化学接枝，同时无机纳米颗粒通过偶硅烷联剂与环氧树脂相连；未与无机纳米颗粒接枝的线型高分子也能够直接与环氧树脂相连。
[0008]本专利技术所述的无机纳米颗粒选自SiO2、TiO2、ZrO2，粒径为2
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100nm。
[0009]优选地，本专利技术所述的硅烷偶联剂为KH560或KH570。
[0010]本专利技术所述的柔性线型高分子特指具有长碳链、分子量大于1000且分子链两端具有胺基的线型高分子聚合物，选自分子量大于1000的聚醚胺、端胺基聚丁二烯、端氨基丁腈橡胶、氨基封端聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
[0011]另一方面，本专利技术提供上述柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料的制备方法：
[0012]步骤1制备表面接枝硅烷偶联剂的无机纳米颗粒。将无机纳米颗粒倒入无水乙醇和去离子水的混合液中，超声分散后得到无机纳米颗粒分散液。同时，将硅烷偶联剂加入无水乙醇中，并用乙酸调节溶液的PH值至3
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4，搅拌均匀，得到硅烷偶联剂溶液。将上述硅烷偶联剂溶液和无机纳米颗粒分散液混合，70
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100℃下反应2
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10h。除去混合液中的液体后获得固体反应产物。固体反应产物经洗涤、干燥后得到表面接枝硅烷偶联剂的无机纳米颗粒。硅烷偶联剂与无机纳米颗粒的质量比为2％
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6％；
[0013]步骤2制备表面接枝线型高分子的氧化石墨烯。将氧化石墨烯倒入无水乙醇和去离子水的混合液中，超声分散均匀。接着，向混合液中加入线型高分子，搅拌均匀。然后，在60
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98℃下反应4
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24h。将固体反应产物从混合液中分离出来，经洗涤、干燥后得到表面接枝线型高分子的氧化石墨烯。加入的线型高分子的质量是氧化石墨烯质量的20
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40倍；
[0014]步骤3制备无机纳米颗粒
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柔性线型高分子复合改性氧化石墨烯。将表面接枝线型高分子的氧化石墨烯和表面接枝硅烷偶联剂的无机纳米颗粒同时倒入乙醇和去离子水的混合液中，超声分散均匀，接着在60
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130℃下反应4
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24h。之后将反应得到的固体产物洗涤、干燥，制得无机纳米颗粒
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柔性线型高分子复合改性氧化石墨烯。本专利技术所述的无机纳米颗粒
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柔性线型高分子复合改性氧化石墨烯中，氧化石墨烯和无机纳米颗粒的质量比为1:1至
8:1。
[0015]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料是由氧化石墨烯、线型高分子、硅烷偶联剂、无机纳米颗粒和环氧树脂组成的；其中，线型高分子、硅烷偶联剂和无机纳米颗粒位于氧化石墨烯和环氧树脂之间，并形成了无机纳米颗粒弥散强化柔性线型高分子界面层；在无机纳米颗粒弥散强化柔性线型高分子界面层中，线型高分子接枝在氧化石墨烯表面；硅烷偶联剂接枝在无机纳米颗粒表面，而无机纳米颗粒弥散于线型高分子中并通过表面的硅烷偶联剂与线型高分子形成了化学接枝，同时无机纳米颗粒通过偶硅烷联剂与环氧树脂相连；未与无机纳米颗粒接枝的线型高分子也能够直接与环氧树脂相连；所述的无机纳米颗粒选自SiO2、TiO2、ZrO2，粒径为2
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100nm；所述的线型高分子为具有长碳链、分子量大于1000且分子链两端具有胺基的线型高分子聚合物。2.根据权利要求1所述的柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的线型高分子选自分子量大于1000的聚醚胺、端胺基聚丁二烯、端氨基丁腈橡胶、氨基封端聚二甲基硅氧烷中的一种或两种以上组合。3.根据权利要求1或2所述的柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为KH560或KH570。4.权利要求1
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3任一所述的柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯
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环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤1制备表面接枝硅烷偶联剂的无机纳米颗粒；将无机纳米颗粒倒入无水乙醇和去离子水的混合液中，超声分散后得到无机纳米颗粒分散液；同时，将硅烷偶联剂加入无水乙醇中，并用乙酸调节溶液的PH值至3
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4，搅拌均匀，得到硅烷偶联剂溶液；将上述硅烷偶联剂溶液和无机纳米颗粒分散液混合，70
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【专利技术属性】
技术研发人员：史国栋，宋健，杨雷，武湛君，刘彤彤，孙涛，刘新，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：