CN104140639A - 一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，它涉及环氧树脂复合材料的制备方法。本发明的目的是要解决现有环氧树脂存在脆性大、抗冲击性差和易发生开裂现象的问题。步骤：一、化学氧化法制备石墨烯；二、石墨烯在环氧树脂中的分散；三、复合。优点：一、本发明制备方法简单，采用乙醇作为溶剂，避免使用有机溶剂，更加环保，而且乙醇易挥发易排除，对石墨烯/环氧树脂复合材料的制备不产生影响；二、与纯环氧树脂相比，本发明制备的石墨烯/环氧树脂复合材料拉伸强度提高了34.9％～124.8％，冲击强度提高了15.4％～105.1％，玻璃化转变温度提高了5℃～19℃。本发明可获得一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及环氧树脂复合材料的制备方法。
背景技术
环氧树脂(Epoxy Resin)是近些年来被广泛应用的一种高分子热固性合成材料，它具有优良的粘接性能、抗腐蚀性能和电绝缘性能等，已经被广泛的应用在结构粘接材料、耐腐蚀涂料、电气绝缘材料以及复合材料基体等方面。在电气电子、机械制造、化工防腐、船舶码头、航空航天等许多工业领域中发挥着重要的作用，是各种工业领域中不可或缺的基础材料之一。环氧树脂具有如此多的应用是由于其优异的力学性能，电绝缘性能，收缩率低，粘接性能好，耐化学性，良好的加工性能，价格低廉等特点。但是由于纯环氧树脂固化后分子链具有三维交联网络结构，因而存在脆性大、耐疲劳性差、抗冲击性差等缺点，在受到外界的冲击载荷作用时，易发生应力开裂现象，从而难以满足日益发展的工程技术要求，使其应用受到一定的限制，因此对环氧树脂的增强/增韧改性工作一直是中外研究的热门课题。
发明内容
本发明的目的是要解决现有环氧树脂存在脆性大、抗冲击性差和易发生开裂现象的问题，而提供一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法。
一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、化学氧化法制备石墨烯：①、将鳞片状石墨粉加入到容器中，再向容器中加入到质量分数为90％～98％的浓硫酸，将容器放入冰水浴中，在搅拌速度为250r/min～300r/min的条件下搅拌30min～60min；然后在搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠，再在搅拌速度为150r/min～200/min的条件下反应2h～3h；再在室温和搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下反应2h～4h；再在温度为35℃～40℃下水浴反应24h～30h；再向容器中加入质量分数为30％～35％的双氧水，得到粘稠状溶液；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90％～98％的浓硫酸的体积比为1g:(40mL～60mL)；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:(8～9)；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:(1～1.5)；
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30％～35％的双氧水的体积比为1g:(3mL～5mL)；
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离，得到沉淀物；再向沉淀物中加入质量分数为96％～99％的乙醇溶液，得到石墨烯/乙醇混合溶液；再使用质量分数为96％～99％的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤3次～5次，得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液；将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为60W～70W下超声4h～6h，得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液；
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(5mL～10mL)；
二、石墨烯在环氧树脂中的分散：将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中，得到石墨烯/环氧树脂混合物；再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为40℃～60℃下真空干燥72h～144h，得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物；
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(10g～100g)；
三、复合：①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为60W～70W下超声30min～60min，得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物；将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃～80℃烘箱中预热2h～3h，得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂；
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合，在搅拌速度为100r/min～150r/min的下搅拌4min～5min，得到石墨烯/环氧树脂预聚物；
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为50℃～65℃下预热120min～180min，得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具；
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具，再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中，在温度为70℃～80℃固化2h～3h，再在温度为125℃～135℃下反应2.5h～3.5h，再在150℃～160℃下反应1h～2h，得到石墨烯/环氧树脂复合材料。
本发明的优点：一、本发明制备方法简单，采用乙醇作为溶剂，避免使用有机溶剂，更加环保，而且乙醇易挥发易排除，对石墨烯/环氧树脂复合材料的制备不产生影响；
二、本发明采用超声分散对石墨烯/环氧树脂体系分散，此方法简单、易操作、分散效果较好，不需要添加任何表面修饰剂及偶联剂；
三、本发明采用原位聚合法制备石墨烯/环氧树脂复合材料，拉伸强度为42MPa～70MPa，冲击强度为4.5kJ/m2～8kJ/m2，玻璃化转变温度为110℃～124℃；与纯环氧树脂相比，本发明制备的石墨烯/环氧树脂复合材料拉伸强度提高了34.9％～124.8％，冲击强度提高了15.4％～105.1％，玻璃化转变温度提高了5℃～19℃。
本发明可获得一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法。
附图说明
图1是损耗因子随温度变化曲线图；图中1是试验一制备的纯环氧树脂的损耗因子随温度变化曲线图，2是试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗因子随温度变化曲线图，3是试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗因子随温度变化曲线图；
图2为试验一制备的纯环氧树脂的断面金相显微镜图；
图3为试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的断面金相显微镜图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、化学氧化法制备石墨烯：①、将鳞片状石墨粉加入到容器中，再向容器中加入到质量分数为90％～98％的浓硫酸，将容器放入冰水浴中，在搅拌速度为250r/min～300r/min的条件下搅拌30min～60min；然后在搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠，再在搅拌速度为150r/min～200/min的条件下反应2h～3h；再在室温和搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下反应2h～4h；再在温度为35℃～40℃下水浴反应24h～30h；再向容器中加入质量分数为30％～35％的双氧水，得到粘稠状溶液；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90％～98％的浓硫酸的体积比为1g:(40mL～60mL)；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:(8～9)；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:(1～1.5)；
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30％～35％的双氧水的体积比为1g:(3mL～5mL)；
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离，得到沉淀物；再向沉淀物中加入质量分数为96％～99％的乙醇溶液，得到石墨烯/乙醇混合溶液；再使用质量分数为96％～99％的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤3次～5次，得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液；将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为60W～70W下超声4h～6h，得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液；
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(5mL～10mL)；
二、石墨烯在环氧树脂中的分散：将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中，得到石墨烯/环氧树脂混合物；再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为40℃～60℃下真空干燥72h～144h，得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物；
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(10g～100g)；
三、复合：①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为60W～70W下超声30min～60min，得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物；将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃～80℃烘箱中预热2h～3h，得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂；
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合，在搅拌速度为100r/min～150r/min的下搅拌4min～5min，得到石墨烯/环氧树脂预聚物；
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为50℃～65℃下预热120min～180min，得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具；
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具，再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中，在温度为70℃～80℃固化2h～3h，再在温度为125℃～135℃下反应2.5h～3.5h，再在150℃～160℃下反应1h～2h，得到石墨烯/环氧树脂复合材料。
本具体实施方式的优点：一、本具体实施方式制备方法简单，采用乙醇作为溶剂，避免使用有机溶剂，更加环保，而且乙醇易挥发易排除，对石墨烯/环氧树脂复合材料的制备不产生影响；
二、本具体实施方式采用超声分散对石墨烯/环氧树脂体系分散，此方法简单、易操作、分散效果较好，不需要添加任何表面修饰剂及偶联剂；
三、本具体实施方式采用原位聚合法制备石墨烯/环氧树脂复合材料，拉伸强度为42MPa～70MPa，冲击强度为4.5kJ/m2～8kJ/m2，玻璃化转变温度为110℃～124℃；与纯环氧树脂相比，本具体实施方式制备的石墨烯/环氧树脂复合材料拉伸强度提高了34.9％～124.8％，冲击强度提高了15.4％～105.1％，玻璃化转变温度提高了5℃～19℃。
本具体实施方式可获得一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤二所述的环氧树脂为环氧树脂E-51、环氧树脂E-44或环氧树脂E-42。其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二所述的两相萃取的方法的具体操作步骤为：首先将石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，再进行搅拌，直至石墨烯/乙醇混合溶液中乙醇溶液由棕黄色变为无色，停止搅拌，再去除上层乙醇溶液，完成两相萃取。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤三①所述的固化剂为低分子聚酰胺651；所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt％。其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90％～98％的浓硫酸的体积比为1g:(50mL～60mL)。其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:9。其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1.5。其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30％～35％的双氧水的体积比为1g:(4mL～5mL)。其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(8mL～10mL)。其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(50g～100g)。其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：纯环氧树脂具体制备方法是按以下步骤完成的：
一、将50g环氧树脂E51和25g固化剂分别放入温度为60℃烘箱中预热2h，得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂；
二、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合，在搅拌速度为100r/min的下搅拌4min，得到石墨烯/环氧树脂预聚物；
三、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为60℃下预热150min，得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具；
四、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具，再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中，在温度为70℃固化2h，再在温度为125℃下反应2.5h，再在150℃下反应1.5h，得到纯环氧树脂；
步骤一所述的固化剂为低分子聚酰胺651；所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt％。
试验二：一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、化学氧化法制备石墨烯：①、将1.2g鳞片状石墨粉加入到容器中，再向容器中加入到质量分数为98％的浓硫酸，将容器放入冰水浴中，在搅拌速度为250r/min的条件下搅拌30min；然后在搅拌速度为150r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠，再在搅拌速度为200r/min的条件下反应2h；再在室温和搅拌速度为200r/min的条件下反应3h；再在温度为35℃下水浴反应24h；再向容器中加入质量分数为35％的双氧水，得到粘稠状溶液；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为98％的浓硫酸的体积比为1g:45mL；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:8；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1.5；
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为35％的双氧水的体积比为1g:4mL；
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离，得到沉淀物；再向沉淀物中加入质量分数为99％的乙醇溶液，得到石墨烯/乙醇混合溶液；再使用质量分数为99％的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤5次，得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液；将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为70W下超声5h，得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液；
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:10mL；
二、石墨烯在环氧树脂中的分散：将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中，得到石墨烯/环氧树脂混合物；再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为50℃下真空干燥72h，得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物；
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:33.33g；
三、复合：①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为70W下超声45min，得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物；将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃烘箱中预热2h，得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂；
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合，在搅拌速度为100r/min的下搅拌4min，得到石墨烯/环氧树脂预聚物；
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为60℃下预热150min，得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具；
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具，再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中，在温度为70℃固化2h，再在温度为125℃下反应2.5h，再在150℃下反应1.5h，得到石墨烯/环氧树脂复合材料；
步骤二所述的两相萃取的方法的具体操作步骤为：首先将石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，再进行搅拌，直至石墨烯/乙醇混合溶液中乙醇溶液由棕黄色变为无色，停止搅拌，再去除上层乙醇溶液，完成两相萃取；
步骤三①所述的固化剂为低分子聚酰胺651；所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt％。
试验三：一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、化学氧化法制备石墨烯：①、将1.2g鳞片状石墨粉加入到容器中，再向容器中加入到质量分数为98％的浓硫酸，将容器放入冰水浴中，在搅拌速度为250r/min的条件下搅拌30min；然后在搅拌速度为200r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠，再在搅拌速度为200/min的条件下反应2h；再在室温和搅拌速度为200r/min的条件下反应3h；再在温度为35℃下水浴反应24h；再向容器中加入质量分数为35％的双氧水，得到粘稠状溶液；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为98％的浓硫酸的体积比为1g:45mL；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:8；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1.5；
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为35％的双氧水的体积比为1g:4mL；
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离，得到沉淀物；再向沉淀物中加入质量分数为99％的乙醇溶液，得到石墨烯/乙醇混合溶液；再使用质量分数为99％的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤5次，得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液；将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为70W下超声5h，得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液；
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:10mL；
二、石墨烯在环氧树脂中的分散：将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中，得到石墨烯/环氧树脂混合物；再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为50℃下真空干燥144h，得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物；
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:33.33g；
三、复合：①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为70W下超声45min，得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物；将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃烘箱中预热2h，得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂；
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合，在搅拌速度为100r/min的下搅拌4min，得到石墨烯/环氧树脂预聚物；
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为60℃下预热150min，得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具；
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具，再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中，在温度为70℃固化2h，再在温度为125℃下反应2.5h，再在150℃下反应1.5h，得到石墨烯/环氧树脂复合材料；
步骤二所述的两相萃取的方法的具体操作步骤为：首先将石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，再进行搅拌，直至石墨烯/乙醇混合溶液中乙醇溶液由棕黄色变为无色，停止搅拌，再去除上层乙醇溶液，完成两相萃取；
步骤三①所述的固化剂为低分子聚酰胺651；所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt％。
试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的拉伸强度为42.8MPa，与试验一制备的纯环氧树脂的拉伸强度31.14MPa相比，提高了11.66MPa；试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的拉伸强度为65.29MPa，与试验一制备的纯环氧树脂的拉伸强度31.14MPa相比，提高了34.15MPa，力学性能有较大程度的提高；试验一制备的纯环氧树脂的冲击强度为3.9kJ/m2；试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的冲击强度为4.5kJ/m2；试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的冲击强度为7.9kJ/m2；试验二和试验三的力学性能与试验一相比均得到提高，这是由于石墨烯本身具有极其优异的力学性能，不但强度高而且韧性好，与环氧树脂复合后，由于其表面具有官能团能与环氧树脂形成良好的界面，随着石墨烯含量的增加，在复合材料中逐渐形成石墨烯的增强网络，施加在树脂上的载荷可以通过界面有效转移到了石墨烯上，阻止了应力集中，当负载超出弹性形变以后，石墨烯的加入还起到了钉扎位错、承载外力、消耗断裂能量的作用，并阻止基体裂纹扩展，因此表现出拉伸强度一定程度的提高。
图1是损耗因子随温度变化曲线图；图中1是试验一制备的纯环氧树脂的损耗因子随温度变化曲线图，2是试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗因子随温度变化曲线图，3是试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗因子随温度变化曲线图。
从图1中可以看出试验一制备的纯环氧树脂的峰位出现在105℃，而试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的峰位出现在124℃；试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的峰位出现在110℃；这是因为损耗因子的峰位可以代表材料的玻璃化转变温度，因此，试验二制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度提高19℃，试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度提高5℃；这是因为一方面石墨烯自身具有良好的耐热性，同时石墨烯的加入对环氧树脂的固化反应有促进作用，使得交联密度和固化度提高同时，石墨烯的加入也使得自由体积减小，链段的运动能力下降；使其玻璃化温度向高温方向移动。
图2为试验一制备的纯环氧树脂的断面金相显微镜图；图3为试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的断面金相显微镜图。
从图2可以观察到试验一制备的纯环氧树脂固化物的断面整齐，裂纹分布均匀，有清晰的河流线，是典型的脆性断裂，说明纯环氧树脂固化物自身很脆，并且从图2中可以看出，形成的新表面少，也就是吸收冲击能少；
从图3可以看出，试验三制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的断面明显不同，断面变得粗糙不平，从图3中看出，表面有明显的河流线，而且形成的新表面较试验一制备的纯环氧树脂明显增多，其吸收冲击性能的能力提高，从图中能明显看出石墨烯并没有出现团聚现象，说明石墨烯能够均匀的分散在环氧树脂中。
Claims (10)
1.一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法具体是按以下步骤完成的：
一、化学氧化法制备石墨烯：①、将鳞片状石墨粉加入到容器中，再向容器中加入到质量分数为90％～98％的浓硫酸，将容器放入冰水浴中，在搅拌速度为250r/min～300r/min的条件下搅拌30min～60min；然后在搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下分别加入高锰酸钾和硝酸钠，再在搅拌速度为150r/min～200/min的条件下反应2h～3h；再在室温和搅拌速度为150r/min～200r/min的条件下反应2h～4h；再在温度为35℃～40℃下水浴反应24h～30h；再向容器中加入质量分数为30％～35％的双氧水，得到粘稠状溶液；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90％～98％的浓硫酸的体积比为1g:(40mL～60mL)；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:(8～9)；
步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:(1～1.5)；
步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30％～35％的双氧水的体积比为1g:(3mL～5mL)；
②、对步骤一①得到的粘稠状溶液进行离心分离，得到沉淀物；再向沉淀物中加入质量分数为96％～99％的乙醇溶液，得到石墨烯/乙醇混合溶液；再使用质量分数为96％～99％的乙醇溶液对石墨烯/乙醇混合溶液进行洗涤3次～5次，得到洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液；将洗涤后的石墨烯/乙醇混合溶液在功率为60W～70W下超声4h～6h，得到超声后的石墨烯/乙醇混合溶液；
步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(5mL～10mL)；
二、石墨烯在环氧树脂中的分散：将超声后的石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，采用两相萃取的方法使石墨烯溶于环氧树脂中，得到石墨烯/环氧树脂混合物；再将石墨烯/环氧树脂混合物在温度为40℃～60℃下真空干燥72h～144h，得到干燥的石墨烯/环氧树脂混合物；
步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(10g～100g)；
三、复合：①、将干燥的石墨烯/环氧树脂混合物在功率为60W～70W下超声30min～60min，得到超声后的石墨烯/环氧树脂混合物；将超声后的石墨烯/环氧树脂混合物和固化剂分别放入温度为60℃～80℃烘箱中预热2h～3h，得到预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂；
②、将预热后的石墨烯/环氧树脂混合物和预热后的固化剂混合，在搅拌速度为100r/min～150r/min的下搅拌4min～5min，得到石墨烯/环氧树脂预聚物；
③、将涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具放入温度为50℃～65℃下预热120min～180min，得到预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具；
④、将石墨烯/环氧树脂预聚物倒入预热后的涂有高真空硅脂的聚四氟乙烯模具，再将聚四氟乙烯模具放入烘箱中，在温度为70℃～80℃固化2h～3h，再在温度为125℃～135℃下反应2.5h～3.5h，再在150℃～160℃下反应1h～2h，得到石墨烯/环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤二所述的环氧树脂为环氧树脂E-51、环氧树脂E-44或环氧树脂E-42。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤二所述的两相萃取的方法的具体操作步骤为：首先将石墨烯/乙醇混合溶液加入到环氧树脂中，再进行搅拌，直至石墨烯/乙醇混合溶液中乙醇溶液由棕黄色变为无色，停止搅拌，再去除上层乙醇溶液，完成两相萃取。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤三①所述的固化剂为低分子聚酰胺651；所述的低分子聚酰胺651中环氧树脂含量为50wt％。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的鳞片状石墨粉的质量与质量分数为90％～98％的浓硫酸的体积比为1g:(50mL～60mL)。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:9。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的鳞片状石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1.5。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的高锰酸钾的质量与质量分数为30％～35％的双氧水的体积比为1g:(4mL～5mL)。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤一②所述的石墨烯/乙醇混合溶液中石墨烯的质量与乙醇的体积比为1g:(8mL～10mL)。
10.根据权利要求1所述的一种石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于步骤二所述的超声后的石墨烯/乙醇混合溶液的体积与环氧树脂的质量比为1mL:(50g～100g)。
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