碳納米材料改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備與研究.pdf

1、本論文以環(huán)氧樹(shù)脂作為樹(shù)脂基體，采用氧化石墨烯、及氧化石墨烯和羥基化碳納米管兩種方式分別對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體進(jìn)行增韌增強(qiáng)改性。對(duì)納米復(fù)合材料的機(jī)械性能、熱性能、機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)氧化石墨烯/羥基化碳納米管協(xié)同改性環(huán)氧樹(shù)脂的固化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，以膨脹石墨（100目）為原料，采用改進(jìn)的水熱法，經(jīng)超聲剝離得到氧化石墨烯(GO)。利用原子力顯微鏡（AFM）、X射線衍射（XRD），以及傅里葉紅外變換光譜（FT-IR）

2、對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，后采用兩相萃取的方法將制得的氧化石墨烯萃取到環(huán)氧樹(shù)脂基體中。利用 X射線衍射（XRD）儀、掃描電鏡（SEM）等對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的斷面結(jié)構(gòu)及斷面形態(tài)進(jìn)行了一系列的表征，分析了氧化石墨烯增強(qiáng)機(jī)理，并進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試及動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)測(cè)試。結(jié)果表明，氧化石墨烯在樹(shù)脂中均勻分散，復(fù)合材料的力學(xué)性能較純環(huán)氧明顯提高。當(dāng)氧化石墨烯改性環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料中的GO加入量為0.25 wt％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，材料的沖擊強(qiáng)度最高

3、，強(qiáng)度值為55.17 kJ/m2，較純環(huán)氧樹(shù)脂提高了115%；拉伸強(qiáng)度提高了18%；斷裂伸長(zhǎng)率增加了78%。以上數(shù)據(jù)充分表明，經(jīng)氧化石墨烯改性后，環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的韌性得到了大幅度增加。
　　其次，采用改進(jìn)的水熱法，并采用超聲波對(duì)氧化石墨進(jìn)行了充分的剝離，制備了氧化石墨烯(GO)。并采用兩相萃取法將制得的GO萃取到環(huán)氧樹(shù)脂基體中；采用超聲分散及熱催化反應(yīng)的方法將羥基化多壁碳納米管(MWCNTs)分散到甲基六氫苯酐(MHHPA)

4、中。利用掃描電鏡(SEM)對(duì)氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料(GO-MWCNTs/EP)的沖擊斷面形貌進(jìn)行表征，并進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試及動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)測(cè)試。試驗(yàn)的分析結(jié)果表明，復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性較純環(huán)氧明顯提高。當(dāng)氧化石墨烯/碳納米管協(xié)同改性環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料中，GO加入量為0.1 wt%時(shí)，MWCNTs含量為0.4 wt%時(shí)，納米復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最高，強(qiáng)度值為84.22 kJ/m2，較純環(huán)氧樹(shù)脂提

5、高了137%；其拉伸強(qiáng)度提高了48.4%；斷裂伸長(zhǎng)率增加了97.9%。表明GO-MWCNTs對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂具有協(xié)同增強(qiáng)協(xié)同增韌的協(xié)同效應(yīng)。
　　最后，用氧化石墨烯改性環(huán)氧樹(shù)脂，用羥基化碳納米管改性固化劑，再將改性后的固化劑與改性后的環(huán)氧樹(shù)脂混合均勻，添加促進(jìn)劑(有利于固化)得到復(fù)合材料樣品。采用非等溫DSC法對(duì)樣品和純環(huán)氧體系進(jìn)行DSC掃描得到DSC曲線，再對(duì)DSC曲線進(jìn)行分析。
　　先通過(guò)非模型擬合法(Friedman法)得到

6、模型擬合法所需的環(huán)氧體系的活化能和指前因子，然后利用模型擬合法得到的固化動(dòng)力學(xué)方程將Friedman法得到的E和logA作為非線性擬合提供回歸計(jì)算的初始條件,得到純樹(shù)脂體系的n級(jí)模型擬合動(dòng)力學(xué)參數(shù)和改性后環(huán)氧體系Kamal模型擬合動(dòng)力學(xué)參數(shù)。再對(duì)不同升溫速率下的環(huán)氧樹(shù)脂及改性樹(shù)脂的固化起始溫度、峰值溫度和終止溫度值進(jìn)行線性回歸，采用外推的方法，便可以得到當(dāng)升溫速率降低到0時(shí)的對(duì)應(yīng)溫度，進(jìn)而可以確定環(huán)氧樹(shù)脂體系的最佳固化溫度范圍。最后將D