一種由石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及樹脂基納米復合材料的制備領域，具體地說是涉及一種石墨烯/環氧樹脂復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]環氧樹脂是綜合性能優良的熱固性樹脂，具有優良的粘結、耐腐蝕、穩定性高等優點，廣泛應用于涂料、電子元器件、機械和粘合劑等領域。但環氧樹脂脆性很大，斷裂柔韌性和耐沖擊性能差，使其應用受到了很大程度的限制。因而，對環氧樹脂進行增韌一直是國內外研究的重要課題之一。
[0003]石墨烯自從2004年被成功制備出來，一直是全世界范圍內的一個研究熱點。石墨烯強度是目前已知世界上強度最高的材料，達130Gpa，是鋼的100多倍。將石墨烯與環氧樹脂進行復合，可大大提高環氧樹脂的韌性、抗沖擊性能，具有重要的應用價值。然而，由于石墨烯納米片間存在強烈的范德華力及相互作用，致使其易發生團聚，導致其在樹脂中難以分散，與樹脂相容性較差。
[0004]近幾年，越來越多的文獻報道多巴胺自聚合。多巴胺在弱堿性條件下自身易發生聚合在各種基質表面形成聚多巴胺(PDA)膜(J Membrane Science, 2010, 364,194-202)。聚多巴胺是貝殼、蛘等生物分泌的粘性蛋白的主要成分，具有極強的粘附性，能穩定地固定在各種基質上。有文獻報道將氧化石墨烯和多巴胺在堿性水溶液中混合，就能得到聚多巴胺修飾的石墨烯(Adv.Funct.Mater.2011, 21,108-112),在這個過程中多巴胺發生自聚形成的聚多巴胺膜牢牢的粘附在石墨烯表面，同時多巴胺還充當了還原劑的作用，將氧化石墨烯還原為石墨烯，不需要額外添加用于還原氧化石墨的有毒還原劑(如水合肼、硼氫化鈉)。整個過程在水溶液中進行，綠色環保，操作簡單，成本低廉，可以大批量的制備。此外PDA上還有氨基和兒茶酚等多官能團，能進一步與其他基團反應，有助于提高聚多巴胺修飾石墨烯與環氧樹脂的相容性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種石墨烯增韌環氧樹脂復合材料及其制備方法。本發明通過聚多巴胺來修飾和還原石墨烯，一方面避免石墨烯的團聚，另一方面提高石墨烯與環氧樹脂的相容性，使其與樹脂基體具有良好的粘結力。所述的聚多巴胺改性石墨烯增韌環氧樹脂復合材料相對比環氧樹脂本身的韌性有很大的提高。其具體步驟如下:
[0006]第一步，石墨烯增韌劑的制備:將氧化石墨烯溶于去離子水中，超聲分散，加入多巴胺，調節溶液PH值為8.0?9.0，25?60°C下反應6?24小時；
[0007]第二步，石墨烯增韌環氧樹脂復合材料的制備:將聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑加入到環氧樹脂中，聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑加入量為環氧樹脂重量的0.1%?5%，在15?30°C下攪拌10?40分鐘，加入固化劑，抽真空脫氣泡后澆入模具進行固化操作，即得由聚多巴胺修飾石墨烯增韌劑增韌的環氧樹脂復合材料。
[0008]與現有技術相比，本發明提供的石墨烯增韌環氧樹脂復合材料制備方法優點如下:1.聚多巴胺修飾石墨烯的制備是在水相中進行的，可避免對操作人員和環境造成危害；2.聚多巴胺修飾石墨烯的制備過程中，石墨烯的還原和表面修飾同時進行，不需要額外添加用于還原氧化石墨的有毒還原劑(如水合肼)，;3.操作簡單，原料來源廣泛，所需實驗儀器也比較簡單，成本低，可大批量的制備；4.聚多巴胺鏈上含有氨基和兒茶酚等多官能團，有助于提高石墨烯與環氧樹脂的相容性和粘結力；4.以聚多巴胺改性石墨烯作為增韌劑制備的環氧樹脂復合材料相對比環氧樹脂本身的韌性有很大的提高。
【具體實施方式】
[0009]以下所列實施例和應用例是為更具體的說明本發明，但本發明并不僅局限于該處所列實施例和應用例。
[0010]實施例1:
[0011]第一步:石墨烯增韌劑的制備:將50mg氧化石墨烯溶于10mL去離子水中，超聲分散30分鐘，加入50mg多巴胺，調節溶液pH值為8.0，30°C下反應12小時；
[0012]第二步，石墨烯增韌環氧樹脂復合材料的制備:將50mg聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑加入到1g雙酚A型環氧樹脂中，在20°C下攪拌45分鐘，加入2gDETDA攪拌5分鐘，抽真空脫氣泡后澆入模具60°C固化7小時，升溫至120°C固化10小時，即得由聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑增韌的環氧樹脂復合材料。
[0013]實施例2:
[0014]第一步:石墨烯增韌劑的制備:將10mg氧化石墨烯溶于10mL去離子水中，超聲分散30分鐘，加入50mg多巴胺，調節溶液pH值為8.5，60°C下反應5小時；
[0015]第二步，石墨烯增韌環氧樹脂復合材料的制備:將10mg聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑加入到1g環氧樹脂中，在30°C下攪拌30分鐘，加入4g甲基四氫苯酐攪拌2分鐘，抽真空脫氣泡后澆入模具70°C固化5小時，升溫至140°C固化6小時，即得由聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑增韌的環氧樹脂復合材料。
[0016]實施例3:
[0017]第一步:石墨烯增韌劑的制備:將250mg氧化石墨烯溶于10mL去離子水中，超聲分散100分鐘，加入350mg多巴胺，調節溶液pH值為9.0，50°C下反應8小時；
[0018]第二步，石墨烯增韌環氧樹脂復合材料的制備:將250mg聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑加入到1g環氧樹脂中，在30°C下攪拌30分鐘，加入3g甲基六氫苯酐攪拌3分鐘，抽真空脫氣泡后澆入模具75°C固化4.5小時，升溫至150°C固化5小時，即得由聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑增韌的環氧樹脂復合材料。
【主權項】
1.一種由石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料及其制備方法，其特征在于制備步驟如下: 第一步，石墨烯增韌劑的制備:將氧化石墨烯溶于去離子水中，超聲分散，加入多巴胺，調節溶液pH值為8.0?9.0，25?60°C下反應6?24小時； 第二步，石墨烯增韌環氧樹脂復合材料的制備:將聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑加入到環氧樹脂中，聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑加入量為環氧樹脂重量的0.1%?8%，在15?30°C下攪拌10?40分鐘，加入固化劑攪拌I?5分鐘，抽真空脫氣泡后澆入模具進行固化操作，即得由聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑增韌的環氧樹脂復合材料。2.根據權利要求1所述的一種由石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料及其制備方法，其特征在于:第一步中，氧化石墨烯水溶液的濃度為0.1?5mg/mL，超聲時間為30?120分鐘，多巴胺加入量為氧化石墨烯重量的10%?200%。3.根據權利要求1所述的一種由石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料及其制備方法，其特征在于，所述環氧樹脂為雙酚F型環氧樹脂或雙酚A型環氧樹脂。4.根據權利要求1所述的一種由石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料及其制備方法，其特征在于，所述固化劑為胺類固化劑或酸酐類固化劑。胺類固化劑為DETDA或GY-051，酸酐類固化劑為甲基四氫苯酐或者甲基六氫苯酐。5.根據權利要求1所述的一種由石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料及其制備方法，其特征在于，環氧樹脂、固化劑和聚多巴胺修飾的石墨烯增韌劑的重量份配比為100: 15?50: 0.1 ?8。6.根據權利要求1所述的一種由石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料及其制備方法，其特征在于，第二步中固化條件為:50?80°C固化3?8小時，升溫至120?150°C固化2?20小時。
【專利摘要】本發明提供了一種由石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料及其制備方法。所述材料是一種以環氧樹脂為基料，添加石墨烯增韌劑和固化劑，加熱固化得到石墨烯增韌的環氧樹脂復合材料。所述石墨烯增韌劑是一種聚多巴胺修飾的石墨烯，聚多巴胺能很好的粘附在石墨烯表面，且其分子鏈上帶有很多羥基和氨基基團，有利于提高石墨烯與環氧樹脂之間的界面結合性能，有利于石墨烯增韌劑在環氧樹脂中的分散。環氧樹脂、固化劑和石墨烯增韌劑的重量份配比為100∶15～50∶0.1～8。本發明優點在于：制備過程無有毒溶劑，可避免對操作人員和環境造成危害；原料價廉易得，操作過程簡便，易于大批量制備。本發明制備的環氧樹脂復合材料相對比環氧樹脂本身的韌性有很大的提高，另外由于石墨烯具有很好的導熱性，能夠提高環氧樹脂本身的導熱率。
【IPC分類】C09C3/10, C08L63/00, C08K3/04, C09C1/46, C08K9/04, C08L63/02
【公開號】CN104927302
【申請號】CN201410105140
【發明人】羅靜, 陳宇澤, 朱瑞, 劉曉亞
【申請人】江南大學
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2014年3月20日