[发明专利]一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法，芳纶纤维均匀分散负载于3D石墨烯上，所述复合材料导电性在10²S/cm以上，压缩强度为115Mpa以上。所述的芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料具有高压缩强度和高导电性，可作为具有优良缓冲能力的导电材料或电磁屏蔽材料。

技术领域

本发明属于功能高分子材料领域，具体涉及一种具有超强压缩能力和导电能力的芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯是一种二维的碳纳米材料，具有优异的力学性能和导电、导热性能，且比表面积大，在纳米复合材料、传感器、纳米电子学和能源存储等领域备受关注。将石墨烯在聚合物基体中均匀地分散能够制备出具有优异性能的纳米复合材料。环氧树脂是一种应用非常广泛热固性树脂，石墨烯等多种纳米填料被添加到环氧树脂中来提高其强度、韧性以及导电、导热性能。石墨烯/环氧树脂通常是通过溶剂共混的方式，不仅耗费大量的溶剂，而且由于石墨烯片层中有很强的范德华力作用，其在树脂基体里聚集非常严重，最终的复合材料的远远不能达到预期效果。

制备三维石墨烯材料与环氧树脂复合将解决石墨烯在环氧树脂中的分散不均匀性。3D石墨烯是将石墨烯纳米片通过模板导向法、交联方法以及原位还原法制备出的互相联通的多孔材料，具有极大的比表面积，在纳米复合材料、能源储存、吸附、传感器和催化降解材料等领域都有潜在的应用。但是，石墨烯气凝胶材料由于自身比较脆，在纳米复合材料加工过程中易碎，三维网络结构遭到破坏，将会严重影响复合材料性能，因此，需要增强石墨烯气凝胶的力学性能。通过在三维石墨烯中引入芳纶纤维，可显著改善石墨烯气凝胶的力学性能，同时，石墨烯和纤维都可实现均匀的分散，可显著提高复合材料的导电性能和力学性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法，以解决石墨烯和纤维在环氧树脂中的分散问题，从而获得高压缩强度和高导电性的复合材料，并提供该复合材料作为具有优良缓冲能力的导电材料或电磁屏蔽材料的应用。

本发明的第一方面，提供一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料，芳纶纤维均匀分散负载于3D石墨烯上，所述复合材料导电性在10²S/cm以上，压缩强度为115Mpa以上。

进一步，所述芳纶纤维为对位芳纶纤维浆粕，其平均长度为2mm-2.5mm。

进一步，所述复合材料中芳纶纤维与3D石墨烯的质量比为1:0.1～1：50；优选为1：0.4-1：20。

本发明的第二个方面，提供一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯超声分散均匀后，加入芳纶纤维搅拌均匀，进行化学还原得到了芳纶纤维增强的石墨烯水凝胶，经冷冻干燥或超临界干燥后，得到芳纶纤维增强的石墨烯气凝胶；

（2）将步骤（1）得到的芳纶纤维增强的石墨烯气凝胶高温处理后，得到高导电的复合气凝胶；

（3）在步骤（2）得到高导电的复合气凝胶中真空灌注环氧树脂组合物，得到所述3D石墨烯/环氧树脂复合材料。

进一步，步骤（1）中，超声时间为0.5-2h，将氧化石墨烯与芳纶纤维按照1：0.4～1：20的比例混合后，采用两步处理的方法，首先在60-90℃加热6-12h进行化学还原，干燥后，再进行高温热处理。

进一步，所述的化学还原使用的还原剂为氢碘酸HI、抗坏血酸VC、对苯二胺中的一种或几种，反应时间为2-24h。

进一步，所述的高温热处理的温度为1000℃以上，处理时间为1h以上。