石墨烯-环氧树脂复合材料增韧机理研究

文章编号:１００１-９７３１(２０１８)０３-０３０８２-０５

石墨烯/环氧树脂复合材料增韧机理研究?

王凯１,刘魏英２

(１．铜仁学院材料与化学工程学院,贵州铜仁５５４３００;２．铜仁学院学生资助中心,贵州铜仁５５４３００)

摘要:用乙二胺将氧化石墨烯还原,经过冷冻干燥得到质轻的多孔石墨烯气凝胶,再用热固性树脂材料在恒温箱中真空浇筑浸渍石墨烯气凝胶,得到石墨烯/环氧树脂复合材料.力学性能测试表明,石墨烯/环氧树脂复合材料断裂韧性相比纯树脂材料显著提高,且石墨烯含量在０~０．７０％(质量分数)范围内,韧性随含量升高而增加;含量超过０．７０％(质量分数),韧性由于石墨烯的团聚作用而下降,因此可知石墨烯的最佳含量为０．７０％(质量分数).SEM断面分析可知,石墨烯的加入使得材料裂纹的路径和断面在扩展过程中增加,导致新裂纹所需的表面能和塑性变形能显著增加,从而从微观上解释了石墨烯的存在及其含量值对石墨烯/环氧树脂复合材料韧性的影响机理.

关键词:石墨烯;环氧树脂;复合材料;断裂韧性

中图分类号: O６１３．７１文献标识码:A DOI:１０．３９６９/j．issn．１００１-９７３１．２０１８．０３．０１２

０ 引言

环氧树脂材料因为具有十分优异的耐腐蚀性能二界面粘接性能二耐热性能和电学性能.近几十年来,已被广泛的应用与各个领域,包括电气电子信息二船舶航海码头二高端机械制造二航空航天等.随着应用的不断深入,环氧树脂材料已成为工业领域不可或缺的基础材料之一[１-４].

但是,由于环氧树脂经过固化工艺后,其分子链会形成相互交叉的立体网状结构,这种结构阻止裂纹的扩展能力差,使得环氧树脂的韧性低二抗冲击能力差.低韧性成为限制环氧树脂得到进一步应用的瓶颈,对于环氧树脂的增韧机理研究一直是热点[５-８].

石墨烯作为二维单层碳纳米材料,是世界上最薄二最硬的材料.通过特殊处理得到的石墨稀表面或者片层间存在大量的有机官能团,这些基团的存在使得石墨稀表面容易官能团化,可与复合材料基体中所带的官能团形成新的键合,为石墨稀/聚合物复合材料的发展创造了基础条件[９-１３].因此,制备有机聚合物复合材料也成为石墨烯的重要用途之一.

本文制备了石墨烯/环氧树脂复合材料,通过三点弯曲实验研究了石墨烯含量对材料韧性的影响,利用扫描电镜观察断面,在微观上解释了石墨烯的存在及其含量对石墨烯/环氧树脂复合材料韧性的影响机理.１实验

１．１实验原料

氧化石墨烯水溶液(太原中科院煤化所):由改进后的Hummers方法制备而成,经过超声破碎处理,得到稳定的氧化石墨烯水溶液;乙二胺:实验用乙二胺中存在大量羧基二羟基二氟基二氨基和甲基,这５种修饰基团对有机复合材料中载体和石墨烯之间界面的结合有很大的影响[１４];双酚F环氧树脂;固化剂４．４-二氨基二苯甲烷.

１．２仪器设备

电子分析天平(德国赛多利斯牌):精度为０．０００１g,用于准确量取石氧化墨烯水溶液二乙二胺等,并对石墨烯气凝胶进行称重;超声波清洗器(上海科导超声仪器有限公司):用于对氧化石墨烯水溶液进行超声分散,使其分布均匀;真空干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司):用于对氧化石墨烯水溶液进行冷冻干燥,对环境温度进行精确设定;冷冻干燥机(博大精科):在低温真空下对实验样品进行抽真空操作;磁力搅拌机(巩义市予华仪器有限责任公司):用于对液态环氧树脂和固化剂进行８０?下的油浴加热和搅拌;金相切割机(沈阳科晶实验仪器设备厂):用于机械切割和预制自然裂纹;微力试验机(美国Instron公司):用于进行三点弯曲压力实验验;５０mL小烧杯１个:用于称量氧化石墨烯母液;２５０mL烧杯１个:用于磁力搅拌;药匙１个:用于进行石墨烯气凝胶转移操作;一次性吸管若干:用于吸取氧化石墨烯母液.

１．３纯树脂样品制备

１．３．１配比称取

按质量比１００?２９．２的比例取少量双酚F环氧树脂和固化剂DDM,先将电子分析天平清零称取１０g 双酚F环氧树脂,再将电子分析天平清零称取２．９２g

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０２０１８年第３期(４９)卷

?基金项目:铜仁学院博士科研启动基金资助项目(trx y DH１７０９)

收到初稿日期:２０１８-０１-０３收到修改稿日期:２０１８-０３-０８通讯作者:王凯,E-mail:wkkk１９８６＠１６３．com

作者简介:王凯(１９８６－),男,安徽泗县人,副教授,博士,从事新型复合材料及其相关机制研究.

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