專利名稱：一種氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚合物基復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體地說是涉及一種氧化石墨烯/碳納米管改性玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗疲勞斷裂性能好，耐腐蝕，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成形的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)和科技發(fā)展中無法代替的重要材料，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩、各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用品、各類耐高溫制品及性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。但是玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料存在層間易開裂等缺點(diǎn)而影響使用的壽命和安全性，因而需要進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。

而復(fù)合材料的層間剪切性能主要取決于基體樹脂的強(qiáng)度和基體樹脂與玻璃纖維的界面結(jié)合情況。一維碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因而已有大量關(guān)于碳納米管增強(qiáng)聚合物基納米復(fù)合材料的研究報(bào)道。然而，弱界面結(jié)合導(dǎo)致碳納米管和聚合物基體之間較差的應(yīng)力傳遞，使得碳納米管的增強(qiáng)效果得不到很好發(fā)揮。因此，人們對碳納米管進(jìn)行功能化處理以改善碳納米管/聚合物之間的界面結(jié)合。二維氧化石墨烯與一維碳納米管一樣具有優(yōu)異的力學(xué)性能，甚至有研究表明氧化石墨烯具有更好的力學(xué)性能，因而成為近期人們研究的熱點(diǎn)。有科研人員對氧化石墨烯改善環(huán)氧樹脂的力學(xué)和熱力學(xué)性能進(jìn)行了報(bào)道。研究表明少量氧化石墨烯的加入可以有效改善環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度、韌性和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。氧化石墨烯在改善環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能方面要優(yōu)于碳納米管，主要是由于氧化石墨烯具有更高的比表面積及氧化石墨烯粗糙表面與環(huán)氧基體互相嚙合導(dǎo)致更強(qiáng)的界面結(jié)合。而且氧化石墨烯表面具有羥基、環(huán)氧基和羧基等官能團(tuán)，可以與玻璃纖維表面的羥基進(jìn)行反應(yīng)，從而改善基體與纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度。由于碳納米管為一維碳材料，而石墨烯為二維碳材料，兩者同時(shí)使用可望形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并可能產(chǎn)生協(xié)同效果。目前已有碳納米管改性玻璃纖維/環(huán)氧基復(fù)合材料的研究報(bào)道，也有少量石墨烯改性玻璃纖維/環(huán)氧基復(fù)合材料的研究報(bào)道。但是，目前還沒有氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:本發(fā)明提供的氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料是用氧化石墨烯和碳納米管為無機(jī)納米填料，以環(huán)氧樹脂為聚合物基體，然后通過溶液共混法先把把無機(jī)納米填料和環(huán)氧樹脂混合，再把混合好的樹脂基體通過涂覆法與玻璃纖維復(fù)合到一起，最后通過模壓成型固化得到復(fù)合材料制品。本發(fā)明提供的氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料的制備方法，其步驟如下:I)將氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為0.01-20g/L的氧化石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率為300-1000W的超聲設(shè)備對所述氧化石墨乙醇溶液進(jìn)行超聲處理0.5-5小時(shí)，得氧化石墨烯乙醇溶液；2)在步驟I)所得的氧化石墨烯乙醇溶液中加入碳納米管和環(huán)氧樹脂使其濃度分別為0.01-20g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力攪拌器攪拌混合液5_30分鐘，然后再用功率為300-1000W的超聲設(shè)備對所述混合液進(jìn)行超聲處理0.5-5小時(shí)；3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為50-80攝氏度的烘箱中，烘10-48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無氣泡止；4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌10-20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無氣泡止；5)把步驟4)所得的混合物涂覆在玻璃纖維布表面，然后把涂過環(huán)氧樹脂混合物的玻璃纖維布層疊在一起，通過模壓的方法，成型固化得到復(fù)合材料制品。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是:采用二維的碳納米材料(氧化石墨烯)與一維的碳納米材料(碳納米管)協(xié)同改性玻纖增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料的層間剪切性能，利用兩者各自的優(yōu)異性能的同時(shí)，也利用到它們一起產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，從而增強(qiáng)了基體樹脂，也使基體樹脂與玻璃纖維的界面結(jié)合得更加牢固。因此使制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的層間剪切性能。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1I)將氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為0.01g/L的氧化石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率為1000W的超聲設(shè)備對所述氧化石墨乙醇溶液進(jìn)行超聲處理0.5小時(shí)，得氧化石墨烯乙醇溶液；2)在步驟I)所得的氧化石墨烯乙醇溶液中加入碳納米管和環(huán)氧樹脂使其濃度分別為20g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力攪拌器攪拌混合液30分鐘，然后再用功率為IOOOff的超聲設(shè)備對所述混合液進(jìn)行超聲處理0.5小時(shí)；3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘10小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無氣泡止；4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無氣泡止；5)把步驟4)所得的混合物涂覆在玻璃纖維布表面，然后把涂過環(huán)氧樹脂混合物的玻璃纖維布層疊在一起，通過模壓的方法，成型固化得到復(fù)合材料制品。實(shí)施例2I)將氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為lg/L的氧化石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率為300W的超聲設(shè)備對所述氧化石墨乙醇溶液進(jìn)行超聲處理5小時(shí)，得氧化石墨烯乙醇溶液；
2)在步驟I)所得的氧化石墨烯乙醇溶液中加入碳納米管和環(huán)氧樹脂使其濃度分別為19g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力攪拌器攪拌混合液5分鐘，然后再用功率為300W的超聲設(shè)備對所述混合液進(jìn)行超聲處理0.5小時(shí)；3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為50攝氏度的烘箱中，烘48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無氣泡止；4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌10分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無氣泡止；5)把步驟4)所得的混合物涂覆在玻璃纖維布表面，然后把涂過環(huán)氧樹脂混合物的玻璃纖維布層疊在一起，通過模壓的方法，成型固化得到復(fù)合材料制品。實(shí)施例3I)將氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為0.2g/L的氧化石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率為600W的超聲設(shè)備對所述氧化石墨乙醇溶液進(jìn)行超聲處理2小時(shí)，得氧化石墨烯乙醇溶液；2)在步驟I)所得的氧化石墨烯乙醇溶液中加入碳納米管和環(huán)氧樹脂使其濃度分別為1.0g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力攪拌器攪拌混合液20分鐘，然后再用功率為800W的超聲設(shè)備對所述混合液進(jìn)行超聲處理3小時(shí)；3)將步驟2)經(jīng)超 聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘30小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無氣泡止；4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無氣泡止；5)把步驟4)所得的混合物涂覆在玻璃纖維布表面，然后把涂過環(huán)氧樹脂混合物的玻璃纖維布層疊在一起，通過模壓的方法，成型固化得到復(fù)合材料制品。實(shí)施例4I)將氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為1.0g/L的氧化石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率為800W的超聲設(shè)備對所述氧化石墨乙醇溶液進(jìn)行超聲處理4小時(shí)，得氧化石墨烯乙醇溶液；2)在步驟I)所得的氧化石墨烯乙醇溶液中加入碳納米管和環(huán)氧樹脂使其濃度分別為1.0g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力攪拌器攪拌混合液30分鐘，然后再用功率為1000W的超聲設(shè)備對所述混合液進(jìn)行超聲處理3小時(shí)；3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘24小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無氣泡止；4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌15分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無氣泡止；5)把步驟4)所得的混合物涂覆在玻璃纖維布表面，然后把涂過環(huán)氧樹脂混合物的玻璃纖維布層疊在一起，通過模壓的方法，成型固化得到復(fù)合材料制品。實(shí)施例5I)將氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為1.5g/L的氧化石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率為1000W的超聲設(shè)備對所述氧化石墨乙醇溶液進(jìn)行超聲處理0.5-5小時(shí)，得氧化石墨烯乙醇溶液；
2)在步驟I)所得的氧化石墨烯乙醇溶液中加入碳納米管和環(huán)氧樹脂使其濃度分別為5g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力攪拌器攪拌混合液20分鐘，然后再用功率為600W的超聲設(shè)備對所述混合液進(jìn)行超聲處理5小時(shí)；3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無氣泡止；4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無氣泡止；5)把步驟4)所得的混合物涂覆在玻璃纖維布表面，然后把涂過環(huán)氧樹脂混合物的玻璃纖維布層疊在一起，通過模壓的方法，成型固化得到復(fù)合材料制品。實(shí)施例6I)將氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為0.5g/L的氧化石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率為1000W的超聲設(shè)備對所述氧化石墨乙醇溶液進(jìn)行超聲處理5小時(shí)，得氧化石墨烯乙醇溶液；2)在步驟I)所得的氧化石墨烯乙醇溶液中加入碳納米管和環(huán)氧樹脂使其濃度分別為1.0g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力攪拌器攪拌混合液30分鐘，然后再用功率為1000W的超聲設(shè)備對所述混合液進(jìn)行超聲處理5小時(shí)；3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為80攝氏度的烘箱中，烘48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無氣泡止；4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無氣泡止；
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5)把步驟4)所得的混合物涂覆在玻璃纖維布表面，然后把涂過環(huán)氧樹脂混合物的玻璃纖維布層疊在一起，通過模壓的方法，成型固化得到復(fù)合材料制品。
權(quán)利要求
1.一種氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，其特征在于，該復(fù)合材料包括環(huán)氧樹脂基體材料和均勻分散于該環(huán)氧樹脂基體材料中的納米無機(jī)填料。
2.按權(quán)利要求I所述的氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料的基體材料為環(huán)氧樹脂。
3.按權(quán)利要求I所述的氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，其特征在于，所述納米無機(jī)填料為氧化石墨烯和碳納米管。
4.一種氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料的制備方法，其步驟如下 1)將氧化石墨烯分散在乙醇中，配制濃度為O.01-20g/L的氧化石墨烯乙醇溶液，然后，再用功率為300-1000W的超聲設(shè)備對所述氧化石墨乙醇溶液進(jìn)行超聲處理O. 5-5小時(shí)，得氧化石墨烯乙醇溶液； 2)在步驟I)所得的氧化石墨烯乙醇溶液中加入碳納米管和環(huán)氧樹脂使其濃度分別為O.01-20g/L和200g/L，得到混合液，并且用磁力攪拌器攪拌混合液5_30分鐘，然后再用功率為300-1000W的超聲設(shè)備對所述混合液進(jìn)行超聲處理O. 5-5小時(shí)； 3)將步驟2)經(jīng)超聲處理的混合液放入溫度為50-80攝氏度的烘箱中，烘10-48小時(shí)，再用真空泵抽出所述混合液中的乙醇溶劑，至混合液無氣泡止； 4)向步驟3)的混合液中加入化學(xué)當(dāng)量的固化劑，在室溫下磁力攪拌10-20分鐘，得到混合物，然后邊磁力攪拌邊用真空泵抽取混合物中的氣泡，至混合物中無氣泡止； 5)把步驟4)所得的混合物涂覆在玻璃纖維布表面，然后把涂過環(huán)氧樹脂混合物的玻璃纖維布層疊在一起，通過模壓的方法，成型固化得到復(fù)合材料制品。
5.按權(quán)利要求4所述的氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，先把氧化石墨烯、碳納米管和環(huán)氧樹脂混合到一起得到基體樹月旨，再把基體樹脂與玻璃纖維復(fù)合得到復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料及其制備方法，復(fù)合材料包括環(huán)氧樹脂基體材料和均勻分散于該環(huán)氧樹脂基體材料中的無機(jī)納米填料；復(fù)合納米無機(jī)填料由厚度為0.35～20nm，直徑為5～100μm的氧化石墨烯和直徑為30～50nm，長度為10～20μm的碳納米管組成。本發(fā)明利用氧化石墨烯和碳納米管本身優(yōu)異的力學(xué)性能和表面的活性官能團(tuán)，有效提高環(huán)氧樹脂基體的力學(xué)性能和基體與玻璃纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而高效地提高玻璃纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。
文檔編號C08K3/04GK103254572SQ20131018601
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月20日
發(fā)明者沈小軍, 黨蕊瓊, 顏志勇, 敖利民, 鄧丹 申請人:嘉興學(xué)院