改性石墨烯與環(huán)氧和聚醚酰亞胺復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腐蝕性，優(yōu)異的粘結強度，良好的尺寸穩(wěn)定性，而且價格低廉，在航空航天、汽車以及電子器件等眾多領域中應用廣泛。但是環(huán)氧質(zhì)脆，耐沖擊性能差，這個缺點極大地限制了它的應用。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變溫度高、機械性能優(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)氧的固化反應會引起環(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，超高的機械強度，高的導熱性能以及優(yōu)異的導電性能等等，且成本低，來源廣?；谝陨蠋c，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中制備高性能的復合材料。
　　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，研究其對相分離的調(diào)控作用，同時探索最終復合材

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，制備復合材料，研究改性石墨烯對聚醚酰亞胺和環(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研究，分為四個部分:(1)石墨烯的簡介，如石墨烯的發(fā)現(xiàn)、結構、主要性能和應用等;(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，并著重對環(huán)氧/熱塑性聚合物二元體系的相分離過程和機理進行了詳細的說明;(3)聚醚酰亞胺的改性。這一部分主要對聚醚酰亞胺的性質(zhì)和應用進行了簡單說明，并介紹了用許多不同種類的無機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填料制備環(huán)氧樹脂復合材料的研究現(xiàn)狀，側重介紹了石墨烯/環(huán)氧復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納米填料—改性氧化石墨烯的加入含量，觀察其對DGEBA/PEI這個二元體系的相分離行為的影響，探索調(diào)控作用機理以及最終得到的復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試證明我們通過化學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

6、填料，添加到DGEBA/PEI二元體系當中，通過流變儀、動態(tài)掃描量熱法以及掃描電子顯微鏡測試結果得知，體系的相分離都遵循旋節(jié)線分解機理（SD機理），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”在“雙連續(xù)相”的更早階段，在加入3.0 wt％的GO-MDA時，抑制效果最佳;最后，結合拉伸測試、動態(tài)機械分析以及熱重分析等測試結果行為發(fā)現(xiàn)，GO-MDA/DGEBA/PEI復合材料的熱穩(wěn)定性雖然有所下降，但是韌性、拉伸強度以及

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DGEBA/PEI體系起到了既增韌又增強的雙重效果。
　　第三章中，我們在氧化石墨烯(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)當中，用流延成膜法制備PEI復合薄膜，并研究復合薄膜的

8、各種性能。本體系研究的主要目的是用簡單的溶液共混方法制備PEI復合薄膜，并且排除高分子基體分子量的影響，單獨研究改性氧化石墨烯對PEI薄膜各種性能的增強作用。首先紅外光譜、X射線衍射以及熱重分析等測試證實了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試分別從宏觀和微觀上證明了GO-g-PEI Oligomer在PEI基體當中良好的分散狀態(tài);而性能測試結果表明隨著GO-g-PEI Oligomer

9、含量由0.25 wt％增加到1.0 wt％，PEI復合薄膜的導電性能、水擴散系數(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)氧復合材料，探討這種改性石墨烯對環(huán)氧固化反應的影響機理并且進一步研究制

10、各得到的環(huán)氧復合材料的相關性能。通過光學顯微鏡以及掃描電子顯微鏡觀察結果發(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)部應力的分散，從而幫助提高材料的機械性能。這一點在隨后的動態(tài)機械分析、熱機械分析以及熱重分析等測試結果中得到證實，這些測試結果表明，GO-g-PEI Oligomer的加入使得制備得到的環(huán)氧復合材料不僅強度提高、玻璃化轉變溫度升高，而且尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性也變得更