[发明专利]一种功能化氧化石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物基纳米复合材料技术领域，更具体地说涉及一种氧化石墨烯的表面化学改性以及石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，它是一种只有一个原子厚的结晶体，自2004年Geim首次发现石墨烯以来，石墨烯已经成为纳米材料界中的焦点。它可以卷曲成零维的富勒烯、一维的碳纳米管，也可堆积成三维的石墨。因此，石墨烯是构成其它碳同素异形体的基本单元。由于石墨烯特殊的结构和优异的特性，如如高的杨氏模量和断裂强度(分别高达1100GPa和125GPa)，出色的热导率(5300 Wm^-1)和比表面积(2600 m²g^-1)，独特的电性能(电子迁移率为200000cm² V^-1s^-1)。

    已报道制备石墨烯的方法有胶带剥离法[Novoselov KS, Geim AK. et al. Science. 2004; 306(5696): 666-669]，化学气相沉积法[Li, X. S.; Cai, W. W. et al. Science 2009; 324, 1312??1314]，外延生长法[Berger C, Song Z. et al. The Journal of Physical Chemistry B. 2004; 108(52): 19912-19916]以及其他一些改良的制备方法[US2012/0228556]等。然而，采用现有的方法工业化制备石墨烯依然存在很大困难。以氧化石墨烯为前驱体制备石墨烯是现在较为普遍的方法，因为氧化石墨烯不但容易制备，而且，利用其表面的氧化基团，通过表面化学改性，可使其具有优异性能。因此，氧化石墨烯可能将比石墨烯更早地进入真正的应用[Cai DY and Song M. J. Mater. Chem. 2010, 20, 7906–7915]。

目前，氧化石墨烯，特别是改性后的氧化石墨烯广泛应用于制备高性能聚合物纳米复合材料。例如，Ma等用对苯二胺改性氧化石墨烯后，聚合物的导电性能明显提升 [Ma HL, Zhang HB. et al. ACS Applied Materials & Interfaces. 2012; 4(4): 1948-1953]； Zhang等合成了含有异氰酸酯官能团的氧化石墨烯，并用其来改性聚酰亚胺，结果表明，添加0.75 wt%的改性氧化石墨烯使聚酰亚胺的拉伸新能提升约60%[Zhang LB, Wang JQ. et al. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2012; 43(9): 1537-1545]。

中国专利CN 102153877 A公开了石墨烯复合材料及其制备方法，该发明采用有机硅烷改性石墨烯，并制备了石墨烯聚合物纳米复合材料，虽然改性后石墨烯的分散性得到了改善，但是由于石墨烯本身表面的羟基含量少，接枝在石墨烯表面的有机硅烷分子也相对较少，石墨烯片与聚合物基体间的界面也不能得到很好地提高。

公开号201310138360的中国专利公开了一种氧化石墨烯微球环氧树脂复合材料及其制备方法，但是该方法中涉及的填料为石墨烯微球，石墨烯微球与氧化石墨烯具有完全不一样的形态、结构和性质，为两种不一样的物质。

Bortz等直接将氧化石墨烯添加到环氧树脂中制备复合材料，结果显示树脂基体的力学性能有显著地改善；但是对氧化石墨烯的表面处理未提及[Macromolecules 2012;45(1):238-245]。

王舟等利用硅烷偶联剂KH560和十二烷基硫酸鈉SDS改性氧化石墨烯，并制备了 SDS功能化氧化石墨烯/环氧复合材料，但对于KH560改性氧化石墨烯来制备环氧树脂复合材料以及对复合材料力学性能的影响都未提及[环氧树脂／氧化石墨烯纳米复合材料的制备和表征，硕士论文，北京化工大学，2010]。

综上所述，为了发挥氧化石墨烯的优异力学性能，提高氧化石墨烯在聚合物中的分散性以及与基体的界面质量，研制一种功能化氧化石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的制备方法是十分必要的。

发明内容