[发明专利]氧化石墨烯基固化剂及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯基固化剂及其制备方法和用途，属于材料科学技术领域。

背景技术

固化剂是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程。环氧树脂固化剂是与环氧树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物，把复合材料包络在网状体中。现有的环氧树脂固化剂主要分为碱性、酸性、加成型、催化型、显在型、潜伏型、胺类固化剂、酸酐类固化剂、合成树脂类固化剂等。环氧树脂因其具有优良的物理机械性能、粘结性能、热稳定性以及固化收缩率低和突出的耐化学腐蚀性能，广泛应用于涂料、复合材料、胶黏剂以及航空、航天领域。但环氧树脂含有大量的环氧基团，固化后产物交联密度大，因此存在脆性、抗冲击性差等问题。另外，环氧树脂具有优良的电绝缘性，是热固性树脂中介电性能较好的品种之一。但是，随着现代微电子技术的革新和发展，越来越复杂的电子器件中需要具有较低的介电常数和介电损耗的粘结剂和复合材料等。因此，环氧树脂的增韧改性和降低介电常数问题是拓展环氧树脂应用的关键技术问题。传统改性环氧树脂的途径主要有橡胶弹性体改性、热塑性树脂改性、刚性粒子改性以及互穿网络改性等。

石墨烯是单层炭原子以sp²杂化轨道通过共价键连接形成的以六角形堆积成蜂窝状晶格的二维片层材料。石墨烯因其具有良好的热导性、热稳定性、传递电荷(电子和空穴)的能力、较高的比表面积和力学性能对物理、化学、材料等学科产生了深远的影响，也成为聚合物复合材料的一种理想纳米添加物。但是，石墨烯由于层间具有较大的范德华相互作用力，从而非常容易堆积。这种堆积效应会造成石墨烯难以均匀分散于聚合物基体中，从而影响石墨烯和聚合物复合材料的力学性能。为了最大限度地提供石墨烯/聚合物复合材料的性能，必须满足两大关键因素：一是石墨烯在聚合物基体中均匀分布，二是外部载荷在石墨烯和聚合物基体界面间实现有效转移。为了解决这些问题，最有效、最常见的是共价键改性石墨烯或者氧化石墨烯。

将石墨烯及其衍生物和环氧树脂复合可改善环氧树脂的各项性能，获得性能得到提高的石墨烯和环氧树脂复合材料。如(Maromolecules,2011,45(1):238)和(small,2010,6(2):179)利用氧化石墨改性环氧树脂并研究了氧化石墨对环氧树脂疲劳周期和断裂强度的影响。当氧化石墨含量为0.1wt.％时，拉伸模量提高了12％，弯曲强度提高了23％；当含量为0.5wt.％时，在25MPa单轴拉伸下疲劳周期提高了1580％。用长链的聚乙二醇胺共价改性氧化石墨，制得在四氢呋喃和N-甲基吡咯烷酮中分散良好的接枝氧化石墨烯片层。(Advanced Functional Materials,2012,22(13):2735)用该石墨烯片层改性环氧树脂制备石墨烯/环氧树脂复合材料，当石墨烯片层含量为0.244vol.％时，复合材料的电阻率降低了10⁶倍，杨氏模量从2.692GPa增长到3.158GPa，平面断裂强度从0.657MPa·m^1/2增长到1.258MPa·m^1/2，临界应变能释放率从140.7KJ·m^-1增长到139.7KJ·m^-1。然而，上述研究中这些石墨烯及其衍生物还不能充当固化剂和环氧基团实现共价键连接，而且这些研究中所用的主链接枝法和接枝主链法的效率都比较低，而且反应条件相对苛刻，从而限制了石墨烯在环氧树脂中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高环氧树脂的韧性、导电性的氧化石墨烯基固化剂及其制备方法和用途。该制备方法反应条件温和、合成方法相对具有普适性，能够制备含有胺官能团的氧化石墨烯固化剂，和常规的固化剂相比能对环氧树脂起到类似的固化效果。

本发明公开了一种氧化石墨烯基固化剂的制备方法，其包括以下步骤：