[发明专利]一种高拉伸强度石墨烯与重氮树脂交联复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于轻质高强材料技术领域，特指一种制备重氮树脂-氧化石墨烯可光交联复合材料的方法，以及采用抽滤得到具有高力学性能的复合薄膜的制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是单层碳原子紧密堆积而形成的炭质新材料，厚度只有0.335nm，是目前世界上最薄的二维材料，其具有优异的力学、热学和电学性能：强度达130GPa，比世界上最好的钢高100倍，是目前强度最高的材料；热导率可达5000W·m^-1·k^-1，是金刚石的3倍。除此之外，石墨烯的拉伸模量(1.01TPa)和极限强度(116GPa)与单壁碳纳米管相当，其质量轻、导热性能好且比表面积大，价格低廉等优点也使其在微电子、能源、信息和材料等领域具有重大的应用前景。石墨烯片层之间具有很强的相互作用，且与溶剂作用较弱，因此石墨烯易于堆积而难以剥离分散。这给石墨烯的研究与应用造成极大的困难。

氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是石墨烯的一种重要的派生物，它的结构与石墨烯大体相同，只是在一层碳原子构成的二维空间无限延伸的基面上连有羰基、羟基、羧基等的官能团，也被称为功能化的石墨烯。由于氧化石墨烯表面的极性官能团作用使一些极性有机分子和聚合物可以很容易的与氧化石墨烯形成纳米复合材料。氧化石墨烯经过还原后大多数含氧官能团脱去，共轭结构得到一定程度的修复，得到的还原氧化石墨烯(rGO)同时具备可类比石墨烯的力学性质以及聚合物特性。石墨烯的功能化不仅可以促进石墨烯在溶剂中的分散，提高石墨烯的成型加工性，而且还可以引入特定的官能团，赋予石墨烯新的功能，调节其电子结构，进一步拓展石墨烯的应用范围。目前，功能化石墨烯及其组装体在光电材料与器件、电化学能源存储、以及聚合物复合材料等重要领域的应用研究发展非常迅速，已展现出巨大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高拉伸强度石墨烯与重氮树脂交联复合材料及其制备方法，以氧化石墨烯溶液和重氮树脂溶液进行复合，采用抽滤的方法制备氧化石墨烯/重氮树脂复合膜，将该复合膜进行光交联和还原，最终得到具有高力学拉伸性能的复合膜材料。

所述石墨烯与重氮树脂交联复合材料的制备方法具体包括以下几个步骤：

步骤一：将氧化石墨烯加入到去离子水中，每毫升去离子水中加入1mg的氧化石墨烯，并用超声破碎得到均匀分散的氧化石墨烯溶液。

步骤二：将0.1mL～2mL浓度为1mg/mL重氮树脂溶液滴加至5mL～10mL步骤一中的氧化石墨烯溶液中，于室温避光搅拌2～12小时，并进行超声得到澄清无沉淀的氧化石墨烯/重氮树脂复合溶液。

步骤三：采用直径为2.5cm的阳极氧化铝(AAO)膜作为滤膜，将氧化石墨烯/重氮树脂复合溶液进行真空抽滤，干燥后将复合膜从AAO膜上揭下，得到自支撑氧化石墨烯/重氮树脂复合膜。

上述的步骤二和步骤三均在暗室中进行。

步骤四：根据自支撑氧化石墨烯/重氮树脂复合膜中重氮树脂的含量，将得到的自支撑氧化石墨烯/重氮树脂复合膜在紫外灯下照射120s～300s进行光交联，直到经红外光谱仪检测重氮基团交联成功。

步骤五：将经过步骤四光交联后的自支撑氧化石墨烯/重氮树脂复合膜置于57％(质量百分比浓度)HI溶液中，在100℃下还原1～2h后取出，冷却水洗并干燥，最终得到具有金属光泽的还原氧化石墨烯/重氮树脂复合膜，该复合膜的初始电阻(Ra)为110～120Ω，即本发明中的石墨烯与重氮树脂交联复合材料。

本发明的优点在于：

本发明采用可光交联的重氮树脂作为功能分子，使石墨烯片层间通过共价键紧密结合，并利用抽滤的方法得到规则有序堆砌的复合薄膜，该复合薄膜具有优异的导电性能和力学性能，此方法程序简单，易于操作。

附图说明

图1A～1C依次为本发明中采用的重氮树脂的分子结构式：二苯胺重氮树脂(diazonium resin，DAR)、甲氧基重氮树脂(MDR)及硝基重氮树脂(NDR)；

图2为本发明中DAR分子与氧化石墨烯的光交联反应示意图；

图3为实例1中制备的GO膜的红外谱图；

图4为实例1中制备的GO/DAR复合薄膜光照前后的红外谱图；

图5为实例1中制备的GO/DAR和rGO/DAR复合薄膜拉曼谱图；

图6为实例1中制备的GO薄膜的应力-应变曲线；

图7为实例1中制备的rGO薄膜的应力-应变曲线；