[发明专利]一种三维交联石墨烯泡沫结构增强树脂复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维交联石墨烯泡沫结构增强树脂复合材料的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构，是构建其他维数炭材料(零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本结构单元。石墨烯独特的晶体结构使它具有优异的力学和电学性能，被认为是复合材料的理想增强材料。其二维片状的外观形貌及超大比表面积可与基体材料产生更丰富更紧密的接触，比一维的碳纳米管有更好的增强性能。

目前石墨烯/树脂复合材料的制备方法主要是溶液机械共混法，但采用该方法制备石墨烯复合材料时，很难将二维的石墨烯片完全均匀的分散在树脂等聚合物中，石墨烯片通常会在聚合物基体内再次团聚，造成不均匀分布状态，使得复合材料中石墨烯的有效含量低于预期值，从而影响到石墨烯增强树脂基复合材料的各项性能。

本发明提出将石墨烯纳米片组装成宏观的三维交联泡沫结构，作为树脂等聚合物复合材料的增强体制备石墨烯复合材料，可有效提高石墨烯含量，同时避免石墨烯自团聚现象的发生。

发明内容

本发明提供了一种新型的石墨烯增强树脂复合材料的制备方法。在化学反应过程中，通过中间体的作用，石墨烯片之间形成一定的化学键，构建出一种三维交联的石墨烯泡沫结构。再通过灌注树脂于制备的三维交联石墨烯泡沫结构中，有效克服了石墨烯在复合材料成型过程中自团聚的发生，得到性能优异的三维交联石墨烯泡沫结构增强树脂复合材料。

本发明的技术方案通过以下步骤实现：

(1)选择合适的多氨基化合物作为中间体，加入到氧化石墨烯溶液中，形成氧化石墨烯与多氨基化合物的絮凝物，经离心处理、冷冻干燥和加热化学反应过程制备三维交联的石墨烯泡沫结构；

(2)利用真空打压或负压流动成型等方法，灌注树脂，填充三维交联的石墨烯泡沫多孔结构，经脱泡、固化过程制备三维交联的石墨烯泡沫结构增强树脂复合材料。

上述步骤(1)中的多氨基化合物为树枝状大分子聚酰胺-胺、二乙烯三胺、间苯二胺、三乙烯四胺、壳聚糖等。

上述方法制备的三维交联的石墨烯泡沫结构是石墨烯片层在共价键的连接作用下形成的三维结构，氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1～10mg/mL。

上述步骤(2)中填充三维交联的石墨烯多孔结构的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、有机硅树脂等热固性树脂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明提供的一种三维交联石墨烯泡沫结构增强树脂复合材料的制备方法进行详细说明。

实施例1：

对氧化石墨水溶液超声处理3h，制备浓度为1.0mg/ml的氧化石墨烯水溶液400ml，滴加2g聚酰胺-胺，迅速出现絮凝现象，静置后出现明显分层现象。经高速离心除去多余的溶剂后，将絮凝物置于模具中，-10℃下预冷冻12h，-50℃下真空冷冻干燥24h，即得到多孔状氧化石墨烯与聚酰胺-胺混合体。并在150℃加热反应12h，即在模具中形成多孔状三维交联的石墨烯泡沫结构，这种结构在去离子水中超声分散2h依然保持原状。

按质量比100∶70∶1比例混合环氧树脂、固化剂与促进剂，60℃下恒温30min，降低树脂的粘度，以增加其流动性。密封模具，使制备得到的三维交联的石墨烯泡沫结构处于完全密封的环境中，在真空泵抽吸下使模具处于负压状态，同时对树脂罐加压，使树脂进入模具对石墨烯泡沫充分浸润、填充。然后在90℃/3h、120℃/3h、150℃/5h的条件下加热固化成型，获得三维交联石墨烯泡沫结构增强的环氧树脂复合材料。

实施例2：

配制2％的乙酸/水混合液50ml，加入0.2g壳聚糖，在40℃下搅拌4h得到透明的壳聚糖溶液。对氧化石墨水溶液超声处理3h，制备浓度为2.0mg/ml的氧化石墨烯水溶液200ml，滴加于制得的壳聚糖溶液中，迅速出现絮凝现象。经高速离心除去多余的溶剂后，将絮凝物置于模具中，-10℃下预冷冻12h，-50℃下真空冷冻干燥24h，即得到多孔状氧化石墨烯与壳聚糖的混合体。并在100℃加热反应12h，即在模具中形成多孔状三维交联的石墨烯泡沫结构。

密封模具，使制备得到的三维交联的石墨烯泡沫结构处于完全密封的环境中，采用真空泵抽吸模具，使热固性酚醛树脂吸入，浸润、填充处于负压状态下的三维交联石墨烯泡沫结构，180℃下加热2h固化成型，获得三维交联石墨烯泡沫结构增强的酚醛树脂复合材料。

实施例3：