改性石墨烯與環(huán)氧和聚醚酰亞胺復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、環(huán)氧樹脂是一種熱固性高分子，固化后的環(huán)氧樹脂具備良好的耐化學(xué)腐蝕性，優(yōu)異的粘結(jié)強(qiáng)度，良好的尺寸穩(wěn)定性，而且價(jià)格低廉，在航空航天、汽車以及電子器件等眾多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但是環(huán)氧質(zhì)脆，耐沖擊性能差，這個(gè)缺點(diǎn)極大地限制了它的應(yīng)用。聚醚酰亞胺是一種熱塑性特種塑料，它具備良好的韌性且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、機(jī)械性能優(yōu)異。在環(huán)氧樹脂中引入熱塑性聚合物，如聚醚酰亞胺，能起到良好的增韌效果。環(huán)氧的固化反應(yīng)會(huì)引起環(huán)氧/熱塑性聚合物二元體系發(fā)生相分離，一些無機(jī)填

2、料的加入不僅可以調(diào)控這種相分離行為，還可以額外賦予復(fù)合材料更高的綜合性能。石墨烯是一種由單層sp2碳原子組成的二維片層碳材料，它具備許多優(yōu)異的性能，如大的比表面積，超高的機(jī)械強(qiáng)度，高的導(dǎo)熱性能以及優(yōu)異的導(dǎo)電性能等等，且成本低，來源廣?；谝陨蠋c(diǎn)，石墨烯或者其衍生物經(jīng)常被用作納米填料加入到高分子基體當(dāng)中制備高性能的復(fù)合材料。
　　本論文將改性氧化石墨烯加入到環(huán)氧/熱塑性聚合物二元體系中，研究其對(duì)相分離的調(diào)控作用，同時(shí)探索最終復(fù)合材

3、料的各種性能;另外，也將改性石墨烯作為填料分別添加到聚醚酰亞胺和環(huán)氧中，制備復(fù)合材料，研究改性石墨烯對(duì)聚醚酰亞胺和環(huán)氧性能的提高作用。
　　論文正文共分為五部分。
　　第一章為緒論，即全文的引言。在緒論中我們簡(jiǎn)要地概括了本論文所涉及到的主要材料的基本性質(zhì)，一些基本概念和相關(guān)研究，分為四個(gè)部分:(1)石墨烯的簡(jiǎn)介，如石墨烯的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)、主要性能和應(yīng)用等;(2)環(huán)氧樹脂的增韌。先介紹了環(huán)氧樹脂的基本性能和應(yīng)用限制，接著介紹了多種

4、環(huán)氧樹脂的增韌方法，并著重對(duì)環(huán)氧/熱塑性聚合物二元體系的相分離過程和機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的說明;(3)聚醚酰亞胺的改性。這一部分主要對(duì)聚醚酰亞胺的性質(zhì)和應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單說明，并介紹了用許多不同種類的無機(jī)填料改性聚醚酰亞胺的研究現(xiàn)狀;(4)環(huán)氧樹脂的改性。在這一部分，主要介紹了加入不同無機(jī)填料制備環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，側(cè)重介紹了石墨烯/環(huán)氧復(fù)合材料的制備和性能研究。
　　第二章我們將聚醚酰亞胺(PEI)作為熱塑性聚合物成分來增韌環(huán)氧樹

5、脂(DGEBA)，PEI的添加比例、固化程序等條件保持不變，僅改變額外添加的無機(jī)納米填料—改性氧化石墨烯的加入含量，觀察其對(duì)DGEBA/PEI這個(gè)二元體系的相分離行為的影響，探索調(diào)控作用機(jī)理以及最終得到的復(fù)合材料的各種性能變化。首先，通過紅外光譜、X射線衍射以及熱重分析等測(cè)試證明我們通過化學(xué)改性方法成功地在氧化石墨烯表面上接枝了4，4'-二氨基二苯甲烷(MDA)，制備得到氨基改性的氧化石墨烯(GO-MDA);接著，將GO-MDA作為無機(jī)

6、填料，添加到DGEBA/PEI二元體系當(dāng)中，通過流變儀、動(dòng)態(tài)掃描量熱法以及掃描電子顯微鏡測(cè)試結(jié)果得知，體系的相分離都遵循旋節(jié)線分解機(jī)理（SD機(jī)理），GO-MDA的加入可以有效抑制相分離的發(fā)生，使體系形貌被“凍結(jié)”在“雙連續(xù)相”的更早階段，在加入3.0 wt％的GO-MDA時(shí)，抑制效果最佳;最后，結(jié)合拉伸測(cè)試、動(dòng)態(tài)機(jī)械分析以及熱重分析等測(cè)試結(jié)果行為發(fā)現(xiàn)，GO-MDA/DGEBA/PEI復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性雖然有所下降，但是韌性、拉伸強(qiáng)度以及

7、模量都隨著GO-MDA含量的增加而增加，也就是說加入GO-MDA可以對(duì)DGEBA/PEI體系起到了既增韌又增強(qiáng)的雙重效果。
　　第三章中，我們?cè)谘趸?GO)的表面接枝聚醚酰亞胺齊聚物(PEIOligomer)，制備得到改性的納米填料GO-g-PEI Oligomer，然后通過溶劑法將不同含量的GO-g-PEI Oligomer加入到買來的高分子基體——聚醚酰亞胺(PEI)當(dāng)中，用流延成膜法制備PEI復(fù)合薄膜，并研究復(fù)合薄膜的

8、各種性能。本體系研究的主要目的是用簡(jiǎn)單的溶液共混方法制備PEI復(fù)合薄膜，并且排除高分子基體分子量的影響，單獨(dú)研究改性氧化石墨烯對(duì)PEI薄膜各種性能的增強(qiáng)作用。首先紅外光譜、X射線衍射以及熱重分析等測(cè)試證實(shí)了GO-g-PEI Oligomer的成功合成;接著，又通過數(shù)碼圖片以及掃描電子顯微鏡測(cè)試分別從宏觀和微觀上證明了GO-g-PEI Oligomer在PEI基體當(dāng)中良好的分散狀態(tài);而性能測(cè)試結(jié)果表明隨著GO-g-PEI Oligomer

9、含量由0.25 wt％增加到1.0 wt％，PEI復(fù)合薄膜的導(dǎo)電性能、水?dāng)U散系數(shù)和水接觸角雖然逐漸增加，而增加的幅度不大，但是模量和熱穩(wěn)定性能卻得到了極大的提高。
　　第四章中我們沿用上一章制備得到的GO-g-PEI Oligomer作為填料加入到環(huán)氧DGEBA當(dāng)中，用4，4'-二氨基二苯甲烷(MDA)作為固化劑，制備不同GO-g-PEIOligomer含量的環(huán)氧復(fù)合材料，探討這種改性石墨烯對(duì)環(huán)氧固化反應(yīng)的影響機(jī)理并且進(jìn)一步研究制

10、各得到的環(huán)氧復(fù)合材料的相關(guān)性能。通過光學(xué)顯微鏡以及掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在GO表面接枝PEI Oligomer之后，GO與環(huán)氧基體相容性提高，樣品斷面形貌更粗糙，有利于內(nèi)部應(yīng)力的分散，從而幫助提高材料的機(jī)械性能。這一點(diǎn)在隨后的動(dòng)態(tài)機(jī)械分析、熱機(jī)械分析以及熱重分析等測(cè)試結(jié)果中得到證實(shí)，這些測(cè)試結(jié)果表明，GO-g-PEI Oligomer的加入使得制備得到的環(huán)氧復(fù)合材料不僅強(qiáng)度提高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，而且尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性也變得更