[发明专利]一种双网络石墨烯环氧复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种双网络石墨烯环氧复合材料及其制备方法，属于导热和摩擦技术领域。本发明以三聚氰胺泡沫为模板，通过金属离子(包括Ca²⁺、Al³⁺或Fe³⁺)诱导交联剂交联使得石墨烯在三聚氰胺泡沫上形成连续的三维石墨烯骨架网络结构，得到三维石墨烯‑三聚氰胺泡沫，该三维石墨烯‑三聚氰胺泡沫作为环氧基复合材料的声子传输路径，为声子传递提供了“高速通道”，然后真空浸渍添加有纳米填料的环氧树脂混合物，得到类钢筋混凝土的双网络石墨烯‑环氧复合材料，保持了完整连续的三维石墨烯骨架，该复合材料导热系数高，摩擦系数低，抗磨损性能强，在动态自润滑密封材料等领域有极大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及导热和摩擦技术领域，尤其涉及一种双网络石墨烯环氧复合材料及其制备方法。

背景技术

能源管理在社会的繁荣中扮演着重要的角色。能源管理的关键之一是减少能源浪费。据估计，每年能量损失的20％是由摩擦造成的。同时，随着器件的集成化和小型化，系统的能量密度大大提高，对热管理性能的要求也随之提高。高性能聚合物基复合材料具有优异的热稳定性、良好的自润滑性能和优异的力学性能，在动态无油密封领域得到了广泛的关注。其中，环氧树脂(EP)具有重量轻、耐化学性好等特点，各种基于EP的复合材料被开发出来，以克服高摩擦系数、低耐磨和低导热的缺点。

在摩擦过程中，大部分机械能转化为摩擦热，使表面温度升高，在表面接触点附近形成半球形等温面。由于导热系数低，热积累引起的高温会破坏表面的性能。通常，摩擦表面的实际接触面积仅为表观面积的0.01～0.1％。在重载和高速工况下，摩擦副接触点表面压力有时可达5000MPa，产生瞬时温度超过1000℃。高温会使接触点产生粘着点，在滑动过程中粘着点会被破坏，这种粘着-破坏-粘着交替过程即为粘着磨损。

采用高导热系数的摩擦副材料来降低表面温度可以提高抗粘着磨损的能力。目前，不同的导热填料用于提高聚合物的导热性，如Al₂O₃、BN、石墨烯和CNT。然而，只有当导热填料在基体中组成有效的导热通路时才能发挥填料本身的导热增强能力，因此需要极高的负载(50wt.％)才能获得满意的导热性聚合物复合材料。然而，聚合物树脂中过高的导热填料比会严重影响树脂的粘度，使得导热填料在质量分数过大时会发生严重团聚，从而降低固化后填料的分散性，影响树脂导热性能的提高，而将少量纳米填料直接和基体树脂共混的方法又难以制备出导热性能优异的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双网络石墨烯环氧复合材料及其制备方法，所述双网络石墨烯环氧复合材料具有优异的导热性能，且摩擦性能优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种双网络石墨烯环氧复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将石墨烯片、分散剂、交联剂和水混合，得到石墨烯分散液；

将三聚氰胺泡沫浸渍于所述石墨烯分散液中，挤压后，将所得负载石墨烯三聚氰胺泡沫浸泡于金属离子溶液中，进行交联，依次重复进行所述浸渍-挤压和浸泡-交联过程，得到三维石墨烯-三聚氰胺泡沫；所述金属离子溶液中金属离子包括Ca²⁺、Al³⁺或Fe³⁺；

将环氧树脂、固化剂、促进剂和纳米填料混合，得到环氧树脂混合物；

将所述环氧树脂混合物真空浸渍于所述三维石墨烯-三聚氰胺泡沫中，固化后，得到双网络石墨烯环氧复合材料。

优选的，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮；所述交联剂包括海藻酸钠或羧甲基纤维素钠。

优选的，所述石墨烯分散液中，石墨烯的浓度为5～30mg/mL，分散剂的浓度为5～10mg/mL，交联剂的浓度为2～2.5mg/mL。