CN107354500B - 一种纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料,包括以下步骤:(1)将玻璃纤维放入马弗炉中煅烧,依次放入丙酮、碱液中处理;(2)将处理后的玻璃纤维置于硅烷偶联剂的水溶液,取出清洗后将其浸润到牛血清白蛋白溶液中,再次清洗后置于氧化石墨烯悬浮液中,烘干后,放入硼氢化钠碱性溶液中,加热,搅拌,干燥;(3)以还原氧化石墨烯/玻璃纤维为阳极,以碳棒为阴极构建电泳池,以Fe3O4悬浮液为镀液,对石墨烯/玻璃纤维进行电泳沉积,制成复合材料。同时本发明公开了该方法制备的复合材料。本发明制备的复合材料在保证导电能力前提下具有更高的磁导率,可以提升其在电磁屏蔽方面的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料,特别涉及一种纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
随着科学技术和电子工业的发展,各种电子设备的应用日益增多,形成电磁污染。电磁波辐射不仅会损害人体健康,干扰电子仪器的正常工作,还会造成机密信息的泄露,因此,研发高性能电磁屏蔽材料,减少电磁污染对为我们的社会生活和国防建设都具有重要意义。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,具有良好的导电、导热性能及力学性能,其电子迁移率可达到2×105cm2/V·S,温度稳定性高,电导率可达108Ω/m,面电阻约为31Ω/sq(310Ω/m2),比铜或银更低,是室温下导电最好的材料。而且比表面积大(2630m2/g),热导率(室温下是5000W·m-1·K-1)是硅的36倍,砷化镓的20倍,是铜(室温下401W·m·K)的十倍多。单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK,甚至有研究表明其导热系数高达6600W/mK。石墨烯是已有材料中最硬和强度最高的材料,其弹性模量为1.1Tpa,抗拉强度为125Gpa。
玻璃纤维作为一种工程纤维材料,是由玻璃原料在高温熔融状态下拉丝制备而成,具有耐高温、抗化学腐蚀、强度高、模量高等一系列优良性能能。玻璃纤维已成为树脂基复合材料最重要的增强材料之一,已在航空、航天、舰船、化工冶金等领域得到了充分应用。
四氧化三铁是铁的一种氧化物,其化学式为Fe3O4。四氧化三铁具有铁磁性,如果形成颗粒半径在纳米级别,称为四氧化三铁磁性颗粒。在当代电气化和信息化社会中,磁性材料的应用非常广泛。四氧化三铁磁性材料作为一种多功能磁性材料,在肿瘤的治疗、微波吸收材料、催化剂载体、细胞分离、磁记录材料、磁流体、医药等领域均已有广泛的应用。
发明内容
本发明公开了一种纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料的制备方法,该方法制备的复合材料改善了将石墨烯涂覆在玻璃纤维表面的工艺,并用电泳沉积法在石墨烯/玻璃纤维上沉积纳米级四氧化三铁,制得高磁导率石墨烯包覆玻璃纤维,具有更好的电磁屏蔽性能。
一种纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)玻璃纤维的表面处理:将玻璃纤维放入马弗炉中煅烧,依次放入丙酮、碱液中处理;
(2)氧化石墨烯/玻璃纤维的制备:将步骤(1)处理后的玻璃纤维置于硅烷偶联剂的水溶液,取出清洗后将其浸润到牛血清白蛋白溶液中,再次清洗后置于氧化石墨烯悬浮液中,烘干后,放入硼氢化钠碱性溶液中,加热,搅拌,干燥,制成氧化石墨烯/玻璃纤维;
(3)磁性材料的改性:以步骤(2)中制成的氧化石墨烯/玻璃纤维为阳极,以碳棒为阴极构建电泳池,以1.0-1.5mg/ml的Fe3O4悬浮液为镀液,对氧化石墨烯/玻璃纤维进行电泳沉积,制成纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料。
优选地,所述步骤(1)中将玻璃纤维放入马弗炉中煅烧的温度为455-500℃,煅烧时间为1-2小时;所述步骤(1)中碱液的浓度为1wt.%-30wt.%,处理时间为0.5-6小时。
更优选地,所述步骤(1)碱液为氢氧化钠溶液,浓度为25wt.%。
优选地,所述步骤(2)中,硅烷偶联剂的水溶液为kh550的水溶液,浓度为1wt.%-5wt.%,置于硅烷偶联剂水溶液中的时间为5min-10min。硅烷偶联剂的处理工艺能明显增加BSA的固化效果。
优选地,所述步骤(2)中牛血清白蛋白溶液的浓度为1-1.5wt.%,浸润到牛血清白蛋白溶液中的时间为4h。
优选地,所述步骤(2)中氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.08-0.12wt.%,烘干的温度为60℃,烘干时间为0.5小时。
优选地,所述步骤(2)中硼氢化钠碱性溶液的浓度为1.5g/L,pH值为10-13,硼氢化钠碱性溶液的温度为80℃,时间为3h,干燥的温度60℃,时间为1h。
优选地,所述的步骤(3)中,Fe3O4为水热法制备纳米级颗粒,粒径为60-100nm。
优选地,所述的步骤(3)中,电泳的直流电压为12v-21v,电泳沉积时间为60min。
本发明同时公开了上述制备方法制备的复合材料。
本发明的有益效果
本发明提供一种纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料的制备方法,将石墨烯与玻璃纤维复合,以四氧化三铁修饰,选择合适的试验条件,制备的复合材料,相对比其他二元复合材料,具有较高的电磁屏蔽性能。
附图说明
图1是实施例1制备的Fe3O4-石墨烯-玻璃纤维复合材料的SEM图;
图2是实施例1制备的Fe3O4-石墨烯-玻璃纤维复合材料EDS测试;
图3是实施例制备的复合材料与未改性复合材料电磁屏蔽效能对比。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
(1)将玻璃纤维在455℃马弗炉中煅烧60min,除去表面浸润剂,然后将玻璃纤维在丙酮中清洗处理,最后用25wt.%氢氧化钠溶液液对玻璃纤维表面改性。
(2)将步骤(1)所处理玻璃纤维置于2.5wt.%的kh550的水溶液中15min,取出清洗后将其浸润到1.5wt.%牛血清白蛋白溶液中4h,再次清洗后置于0.12wt.%氧化石墨烯悬浮液中60min,去离子水清洗、烘干,烘干的温度为60℃,烘干时间为0.5小时,再将其浸入1.5g/L、PH值为10、温度为80℃的硼氢化钠碱性溶液中3h,取出干燥的温度60℃,时间为1h。
(3)以石墨烯-玻纤为阳极,以碳棒为阴极构建电泳池,将粒径为80nm四氧化三铁纳米颗粒超声分散在去离子水中制成1.5mg/ml悬浮液,作为镀液,在15V电压下对石墨烯-玻纤进行电泳沉积60min,纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料。
附图1是实施例1制备的Fe3O4-石墨烯-玻璃纤维复合材料的SEM图;附图2是实施例1制备的Fe3O4-石墨烯-玻璃纤维复合材料EDS测试。
实施例2
(1)将玻璃纤维在460℃马弗炉中煅烧60min,除去表面浸润剂,然后将玻璃纤维在丙酮中清洗处理,最后用15wt.%氢氧化钠溶液液对玻璃纤维表面改性。
(2)将步骤(1)所处理玻璃纤维置于4wt.%的kh550的水溶液中15min,取出清洗后将其浸润到1.5wt.%牛血清白蛋白溶液中4h,再次清洗后置于0.1wt.%氧化石墨烯悬浮液中60min,去离子水清洗、烘干,烘干的温度为60℃,烘干时间为0.5小时,再将其浸入1.5g/L、PH值为13、温度为80℃的硼氢化钠碱性溶液中3h,取出干燥的温度60℃,时间为1h。
(3)以石墨烯-玻璃纤维为阳极,以碳棒为阴极构建电泳池,将粒径为60nm四氧化三铁纳米颗粒超声分散在去离子水中制成1.0mg/ml悬浮液,作为镀液,在18V电压下对石墨烯/玻纤进行电泳沉积60min,纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料。
实施例3
(1)将玻璃纤维在500℃马弗炉中煅烧60min,除去表面浸润剂,然后将玻璃纤维在丙酮中清洗处理,最后用20wt.%氢氧化钠溶液液对玻璃纤维表面改性。
(2)将步骤(1)所处理玻璃纤维置于2.5wt.%硅烷偶联剂的水溶液中15min,取出清洗后将其浸润到1.0wt.%牛血清白蛋白溶液中4h,再次清洗后置于0.08wt.%氧化石墨烯悬浮液中60min,去离子水清洗、烘干,烘干的温度为60℃,烘干时间为0.5小时,再将其浸入1.5g/L、PH值为12、温度为80℃的硼氢化钠碱性溶液中3h,取出干燥的温度60℃,时间为1h。
(3)以石墨烯-玻纤为阳极,以碳棒为阴极构建电泳池,将粒径为100nm四氧化三铁纳米颗粒超声分散在去离子水中制成1.5mg/ml悬浮液,作为镀液,在21V电压下对石墨烯-玻纤进行电泳沉积60min,纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料。
对比例1
(1)将玻璃纤维置于400℃的马弗炉中热清洗处理50min,然后依次经过丙酮、6mol/L的盐酸溶液、去离子水清洗,然后置于60℃的烘箱中干燥后备用;
(2)将经过预处理的玻璃纤维放于质量分数为1.0%的牛血清白蛋白50ml溶液中浸泡处理60min,期间,每隔5min提拉一次;
(3)室温下,配制质量分数为0.1%的氧化石墨超纯水分散液50ml,将牛血清白蛋白功能化的玻璃纤维在氧化石墨分散液中浸渍处理30min,取出,并用去离子水冲洗;然后置于55℃烘箱中烘干备用;
(4)将氢碘酸、乙酸以体积比1:2的比例配制溶液10ml置于密封容器中,同时将得到的氧化石墨包覆的玻璃纤维在密闭容器的上层固定,在40℃下还原氧化石墨20min,得到的石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料。
对比例2
(1)配制氧化石墨烯水溶液,并超声分散处理后得到0.1mg/ml氧化石墨烯分散溶液;再配制浓度为0.2mol/L的硫酸亚铁水溶液;
(2)将步骤(1)的氧化石墨烯分散溶液加热到50℃并持续超声30min,将硫酸亚铁水溶液缓慢滴加到氧化石墨烯分散溶液,滴加速度为5ml/min,得到前驱体混合溶液;
(3)将步骤(2)的前驱体混合溶液加热到90℃并持续超声30min,加入30ml的0.1mol/L的氢氧化钠水溶液,调节体系pH值为10;
(4)反应体系保持在90℃且持续超声反应120min后,得到反应产物,后磁分离多次之后在60℃下真空干燥8h,得到的黑色粉末即为四氧化三铁/氧化石墨烯复合材料。
对比例3
(1)将玻璃纤维在400℃马弗炉中煅烧50min,除去表面浸润剂,依次经过丙酮、6mol/L的盐酸溶液、去离子水清洗,然后置于60℃的烘箱中干燥后备用。
(2)将经过预处理的玻璃纤维放于质量分数为1.0%的牛血清白蛋白50ml溶液中浸泡处理60min,期间,每隔5min提拉一次。室温下,配制质量分数为0.1%的氧化石墨超纯水分散液50ml,将牛血清白蛋白功能化的玻璃纤维在氧化石墨分散液中浸渍处理30min,取出,并用去离子水冲洗;然后置于55℃烘箱中烘干备用。
(3)以石墨烯-玻纤为阳极,以碳棒为阴极构建电泳池,将粒径为80nm四氧化三铁纳米颗粒超声分散在去离子水中制成1.5mg/ml悬浮液,作为镀液,在15V电压下对石墨烯-玻纤进行电泳沉积60min,纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料。图3是实施例制备的复合材料与未改性复合材料电磁屏蔽效能对比。
Claims (10)
1.一种纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)玻璃纤维的表面处理:将玻璃纤维放入马弗炉中煅烧,依次放入丙酮、碱液中处理;
(2)氧化石墨烯/玻璃纤维制备:将步骤(1)处理后的玻璃纤维置于硅烷偶联剂的水溶液,取出清洗后将其浸润到牛血清白蛋白溶液中,再次清洗后置于氧化石墨烯悬浮液中,烘干后,放入硼氢化钠碱性溶液中,加热,搅拌,干燥,制成氧化石墨烯/玻璃纤维;
(3)磁性材料的改性:以步骤(2)中氧化石墨烯/玻璃纤维为阳极,以碳棒为阴极构建电泳池,以1.0-1.5mg/ml的Fe3O4悬浮液为镀液,对氧化石墨烯/玻璃纤维进行电泳沉积,制成纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征于,所述步骤(1)中将玻璃纤维放入马弗炉中煅烧的温度为455-500℃,煅烧时间为1-2小时;
所述步骤(1)中碱液的浓度为1wt.%-30wt.%,处理时间为0.5-6小时。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征于,所述步骤(1)碱液为氢氧化钠溶液,浓度为25wt.%。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征于,所述步骤(2)中,硅烷偶联剂的水溶液为kh550的水溶液,浓度为1wt.%-5wt.%,置于硅烷偶联剂水溶液中的时间为5min-15min。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征于,所述步骤(2)中牛血清白蛋白溶液的浓度为1-1.5wt.%,浸润到牛血清白蛋白溶液中的时间为4h。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征于,所述步骤(2)中氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.08-0.12wt.%,烘干的温度为60℃,烘干时间为0.5小时。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征于,所述步骤(2)中硼氢化钠碱性溶液的浓度为1.5g/L,pH值为10-13,硼氢化钠碱性溶液的温度为80℃,时间为3h,干燥的温度60℃,时间为1h。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征于,所述的步骤(3)中,Fe3O4为水热法制备纳米级颗粒,粒径为60-100nm。
9.如权利要求1所述的制备方法,其特征于,所述的步骤(3)中,电泳的直流电压为12v-21v,电泳沉积时间为60min。
10.一种权利要求1-9之一所述的制备方法制备的纳米级Fe3O4修饰石墨烯包覆的玻璃纤维复合材料。
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