[发明专利]柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯-环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯‑环氧树脂复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。本发明将无机纳米颗粒弥散强化理论和柔性界面韧化理论相结合，在氧化石墨烯和树脂基体之间创造性地设计和制备了具有复合效应、刚柔并济的无机纳米颗粒弥散强化的柔性界面，从而在界面层区域实现柔性高分子物质与刚性无机颗粒的优势互补，使界面层既可以通过一定量的柔性高分子物质非弹性变形来实现韧化；又能通过弥散无机颗粒限制柔性高分子界面物质产生过大的非弹性变形，使界面层保持高效的应力传递效率。达到制得同时具有高强度和高韧性的柔性线型高分子及无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯‑环氧树脂复合材料的目的。

技术领域

本发明专利属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有无机纳米颗粒弥散强化柔性线型高分子界面层的氧化石墨烯-环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

环氧树脂具有工艺性能良好、综合力学性能好、成本低等优点，是目前应用最广的结构复合材料基体。高性能的碳纤维增强的环氧树脂基复合材料已经作为主承力构件在汽车、游艇和航空航天飞行器等领域大量应用。然而，环氧树脂较低的强度和韧性严重制约了它们在复合材料中的进一步应用。改善环氧树脂基体的强度和韧性已成为目前亟需解决的问题。采用纳米材料对环氧树脂进行改性，以纳米材料-环氧树脂复合体系作为碳纤维增强的环氧树脂基复合材料的基体材料，是解决上述问题的一种有效途径。

氧化石墨烯作为一种二维纳米材料，除了具有与石墨烯类似的低密度、高强度、高模量和高韧性的特点外，还具有表面含活性含氧基团，与有机物相容性好、易于表面改性的优点，被认为是树脂基复合材料的理想增强体。而且，石墨烯还具有与碳纤维相当的热膨胀系数，将其加入到碳纤维增强复合材料的环氧树脂基体中，有利于降低基体的热膨胀系数，改善基体与碳纤维增强体间的热膨胀系数差异过大的问题。

然而，氧化石墨烯存在易团聚、与环氧树脂界面结合力较弱的缺点，限制了氧化石墨烯增强的环氧树脂力学性能的有效提升。解决这一问题的主要方法是对氧化石墨烯进行表面改性。在氧化石墨烯表面接枝能在氧化石墨烯和环氧树脂之间形成化学键连接的高分子物质是目前常用且有效的一种表面改性手段。当在氧化石墨烯表面接枝的高分子物质是大分子量的柔性线型高分子时，此表面改性不仅会使氧化石墨烯在环氧树脂中具有更好的分散性，而且在氧化石墨烯与环氧树脂间可以形成柔性界面，改善氧化石墨烯-环氧树脂复合材料的韧性。这可以有效解决环氧树脂因脆性大而应用受限的问题。这种增韧的机制是通过柔性界面层的非弹性变形来耗散能量，提高氧化石墨烯-环氧树脂复合材料的韧性的。因此，氧化石墨烯表面接枝的柔性线型高分子物质的分子量越大，在氧化石墨烯-环氧树脂复合材料中形成的界面层柔性越好，越有利于增韧。但这种由柔性线型高分子形成的界面存在应力传递效率低的缺点，从而造成现有的柔性线型高分子物质接枝的氧化石墨烯-环氧树脂复合材料强度相对较低，这不利于这种复合材料的应用。因此，如何同时有效提高氧化石墨烯-环氧树脂复合材料的强度和韧性，是一个需要解决的问题。

发明内容

为了解决现有的柔性线型高分子物质接枝的氧化石墨烯-环氧树脂复合材料因柔性界面应力传递效率较低而导致复合材料强度相对较低的问题，使它们同时具有高的强度和韧性，本发明将无机纳米颗粒弥散强化理论和柔性界面韧化理论相结合，在氧化石墨烯和树脂基体之间创造性地设计和制备了具有复合效应、刚柔并济的无机纳米颗粒弥散强化的柔性界面，从而在界面层区域实现柔性高分子物质与刚性无机颗粒的优势互补，使界面层既可以通过一定量的柔性高分子物质非弹性变形来实现韧化；又能通过弥散无机颗粒限制柔性高分子界面物质产生过大的非弹性变形，使界面层保持高效的应力传递效率。达到制得同时具有高强度和高韧性的柔性线型高分子和无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯-环氧树脂复合材料的目的。

本发明通过在柔性线型高分子物质接枝的氧化石墨烯的表面进一步接枝刚性的无机纳米颗粒，形成柔性线型高分子和无机纳米颗粒复合改性的氧化石墨烯；再将该复合改性石墨烯和环氧树脂复合；复合后氧化石墨烯与环氧树脂之间会形成无机纳米颗粒弥散强化的柔性界面。