氧化石墨烯-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面改性與性能研究.pdf

1、石墨烯是目前已知強(qiáng)度最高的材料，只有單原子層厚度的石墨烯具有許多優(yōu)異的性能，他的出現(xiàn)在21世紀(jì)初期的科學(xué)界掀起了一股研究的熱潮。其中，以石墨烯作為增強(qiáng)體制備石墨烯/樹脂納米復(fù)合材料是十分引人注目的研究焦點(diǎn)之一，因?yàn)槭┑囊胭x予了樹脂基復(fù)合材料以出色的力學(xué)、熱學(xué)性能以及光學(xué)、電學(xué)等功能性。然而，石墨烯的批量制備及其與樹脂的親和性卻一直制約著石墨烯在樹脂基復(fù)合材料中的應(yīng)用。另一方面，作為繼承了石墨烯大部分力學(xué)性能的一種重要衍生物，氧化石

2、墨烯憑借著片層表面豐富的含氧官能團(tuán)和批量制備的簡(jiǎn)單可操作性，在樹脂基復(fù)合材料領(lǐng)域引起了極大關(guān)注。隨著研究的深入，氧化石墨烯的表面狀態(tài)越來越難以適應(yīng)日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，為了進(jìn)一步獲得更高性能的氧化石墨烯/樹脂復(fù)合材料，需要對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行表面修飾以得到更好的界面性能，而官能團(tuán)的大量存在也為其表面修飾提供了可能。
　　本文首先制備了氧化石墨烯，并以原始氧化石墨烯（aGO）為起點(diǎn)，使用“清洗-重建”過程制備了堿洗氧化石墨烯（bwGO）和

3、兩種不同端基的硅烷化氧化石墨烯，分別為端氨基的APTS-GO和端環(huán)氧基的GPTS-GO，然后使針棒狀的凹凸棒土粘土顆粒吸附在氧化石墨烯表面得到了一種一維-二維復(fù)合物ATP-GO。這五種不同表面狀態(tài)的氧化石墨烯被分別用作增強(qiáng)體材料摻入環(huán)氧樹脂中制備了多種組分的氧化石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并且研究了復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能、斷裂韌性、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。
　　多官能團(tuán)的aGO比少官能團(tuán)的bwGO表現(xiàn)出更高的力學(xué)性能增強(qiáng)，aGO的含

4、量為1wt％時(shí)，aGO/epoxy復(fù)合材料的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高，為3.1GPa和79.7Mpa，比純環(huán)氧樹脂分別增加了24%和14%；復(fù)合材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC和臨界能量釋放率GIC在0.5wt% aGO/epoxy中達(dá)到最高，分別為1.27 MPam1/2和0.45 kJ/m2，均較環(huán)氧樹脂增加了25%；而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）達(dá)最高時(shí)復(fù)合材料中含有0.2wt%的aGO，其值為133℃，比環(huán)氧樹脂提高了5.1℃；由于含有

5、更多的含氧官能團(tuán)，aGO使環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性下降，較少官能團(tuán)的bwGO卻能提高復(fù)合材料的熱性能。
　　硅烷化氧化石墨烯增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料比aGO和bwGO增強(qiáng)的復(fù)合材料擁有更好的力學(xué)性能，尤其是斷裂韌性。表面官能團(tuán)的不同也使兩種硅烷化氧化石墨烯對(duì)環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)行為有所不同：端氨基的APTS-GO對(duì)復(fù)合材料楊氏模量和拉伸強(qiáng)度的增強(qiáng)效率更高，0.2wt% APTS-GO/epoxy復(fù)合材料的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度最高，為3.3

6、GPa和81.2MPa，比純環(huán)氧樹脂分別提高了32%和16%；而端環(huán)氧基的GPTS-GO則對(duì)復(fù)合材料的韌性增強(qiáng)更明顯，0.2wt% GPTS-GO/epoxy復(fù)合材料的KIC和GIC值最大，為1.46MPam1/2和0.62kJ/m2，與純環(huán)氧樹脂相比分別增加了43%和72%。
　　ATP-GO復(fù)合增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的增強(qiáng)幅度高于單獨(dú)使用ATP或GO作為增強(qiáng)材料，并且只有在復(fù)合增強(qiáng)體的兩種組分達(dá)到最優(yōu)質(zhì)量配比時(shí)才能使復(fù)合材料

7、獲得最高的力學(xué)性能，1wt%ATP+0.2wt%GO便是最優(yōu)的配比，此時(shí)的A1G02/epoxy復(fù)合材料擁有最高的楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、KIC和GIC，分別為3.4GPa、80.8Mpa、1.29MPa·m1/2和0.43kJ/m2，比純環(huán)氧樹脂增加了36%、16%、27%和19%。得益于ATP的加入，ATP-GO/epoxy復(fù)合材料的熱性能也高于aGO增強(qiáng)的復(fù)合材料。
　　本文繼而使用拉曼（Raman）光譜實(shí)驗(yàn)方法研究了五種氧化石

8、墨烯在環(huán)氧樹脂中的分散狀態(tài)和兩相間的界面相互作用，并以此為基礎(chǔ)討論了不同表面狀態(tài)氧化石墨烯在復(fù)合材料中的微觀作用機(jī)制。官能團(tuán)數(shù)量的變化使bwGO在基體中的分散性和界面載荷傳遞效率劣于 aGO；氨基硅烷化的APTS-GO的分散性不如GPTS-GO，卻能更好地與基體間進(jìn)行載荷傳遞，但是APTS-GO的載荷傳遞效率卻低于aGO，這是因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑的修飾在氧化石墨烯片層的附近引入了柔性界面層吸收了部分應(yīng)變能；ATP-GO復(fù)合物在基體中的分散性略