[发明专利]一种氧化石墨烯微球/环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯与环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

环氧树脂是泛指含有两个或两个以上环氧基，以脂肪族、脂环族或芳香族链段为主链的高分子预聚物，能在一定条件下与固化剂反应，生成三维的体型结构，从而体现出良好的性能。环氧树脂因其具有良好的加工工艺性、优异的粘结性能、机械性能、电绝缘性以及化学稳定性等特性，而广泛应用于电子材料的浇注、封装以及涂料、胶粘剂、复合材料基体等方面。随着以航空航天、电子工业为代表的高新技术领域不断发展，对环氧树脂的性能提出了更高的要求。但由于纯环氧树脂固化后存在质脆、耐冲击性差等缺点，难以满足工程技术的要求，在应用上受到了一定的限制。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成正六边形呈蜂巢晶格的平面薄膜。由于石墨烯具有独特的二维纳米结构和多种优异性能，在理论研究和实际应用方面表现出无穷的魅力，使其成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点。氧化石墨烯结构与石墨烯相似，羟基和环氧基位于氧化石墨烯的基面上，羰基和羧基主要分布在氧化石墨烯的边缘。这些基团使氧化石墨烯相比石墨烯，与聚合物有更好的相容性。使用氧化石墨烯改性环氧树脂，可大幅度提高环氧树脂的耐冲击性、耐疲劳性，具有极其重要的应用价值。关于氧化石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法较少，已有方法制备的氧化石墨烯/环氧树脂复合材料中，氧化石墨烯均是以二维片层状存在，并多以有机溶剂作为反应介质，材料的冲击强度提高有限，且制备方法复杂存在环境污染。

专利201110061402公开了一种改性石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法。使用四氢呋喃为溶剂制备氧化石墨烯悬浮液，所用有机溶剂会造成环境污染。扫描电镜图片表明改性石墨烯以片层状存在于环氧树脂中。

专利201110276771.X公开了一种氧化石墨烯接枝POSS改性环氧树脂的制备方法。首先POSS是一种目前非常昂贵的化学试剂，本实验室购买的POSS价格均在300RMB/g以上，价格高昂不适用于大规模工业化生产。所用环氧树脂为E51，固化剂为DDS。接枝POSS后的氧化石墨烯加量为1%～7%，才能使冲击强度提高2倍多。

专利201010287963.6公开了一种石墨烯-环氧树脂复合材料的制备方法。将石墨烯水溶液直接与环氧树脂混合，使石墨烯萃取到环氧树脂中。该专利所用环氧树脂为E51，E44，TED85，AG80，固化剂为H-1618，扫描电镜图片表明石墨烯以片层状存在于环氧树脂中。

目前石墨价格为0.006RMB/g左右，而石墨烯的价格为5000RMB/g左右，所以大部分实验室都自行制备氧化石墨烯，氧化石墨烯还原后，即为石墨烯。目前制备氧化石墨烯的方法主要有三种，其中改进后的Hummers法是最为稳定的方法，所以现有与氧化石墨烯相关的专利及文献几乎都采用改进后的Hummers法来制备氧化石墨烯。

发明内容

为了解决已有技术存在的氧化石墨烯均以片层状存在，添加量较大的问题，本发明提供了一种氧化石墨烯微球/环氧树脂复合材料及其制备方法，氧化石墨烯以微球状存在，添加量很小即能提高强度。

本发明的技术方案为：一种氧化石墨烯微球/环氧树脂复合材料，为两相结构，以环氧树脂为基体，增强相为氧化石墨烯微球，氧化石墨烯微球均匀分散于环氧树脂基体中，所述氧化石墨烯微球为环氧树脂质量的0.1～1%。

所述的氧化石墨烯微球/环氧树脂复合材料为黑色固体。

所述的氧化石墨烯微球在环氧树脂基体中直径为10～90μm。

所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂或酚醛型环氧树脂中的任意一种。

制备所述的氧化石墨烯微球/环氧树脂复合材料的方法，步骤为：第一步，采用P₂O₅、K₂S₂O₈和浓H₂SO₄对石墨粉进行预氧化处理；

第二步，采用Hummers法制备氧化石墨粉；

第三步，氧化石墨粉和去离子水超声振荡得到氧化石墨烯悬浮液；

第四步，将氧化石墨烯悬浮液与环氧树脂混合在50～60℃下搅拌反应充分后静置分层，取下层的氧化石墨烯/环氧树脂混合物继续在50～60℃下搅拌反应充分后加入593环氧树脂固化剂固化后得到氧化石墨烯微球/环氧树脂复合材料。