[发明专利]一种改性洋葱碳/环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备技术领域，具体来说是一种改性洋葱碳/环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

洋葱碳, 又称为碳纳米洋葱, 其尺寸大约在3~50 nm, 是继C₆₀、碳纳米管之后, 富勒烯家族的新成员。洋葱状纳米碳独特的中空笼状和同心石墨层结构，具有与富勒烯相似的物理和化学性质。另外洋葱碳大的比表面积、高的电导率、高的热稳定性以及封闭稳定的结构使其具有较大的应用潜力, 在催化、摩擦、锂离子二次电池、太阳能电池、电化学储氢、超级电容器和电磁屏蔽等领域都显示出良好的应用前景。洋葱碳的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法两类。物理方法主要有电弧放电、等离子体、电子束辐射等; 化学方法主要有化学气相沉积法、纳米金刚石热处理、热解法等。由于纳米金刚石生产已经实现产业化，其中利用热处理纳米金刚石的制备方法其操作简单，产量较大，有利于实现工业化。通过硝酸氧化法制备的产物为氧化洋葱碳，其表面存在大量的含氧官能团，可以进一步通过化学反应制备洋葱碳的衍生物。同大多数碳材料一样，洋葱碳也可以应用于复合材料添加剂，来提高复合材料的综合性能。目前，这方面的研究主要着眼于提高复合材料的摩擦磨损性能，对于力学性能的研究较少。此外，同大多数纳米材料一样，洋葱碳存在着在树脂中分散性较差，自身容易团聚，与树脂相容性较差的问题，因此仅利用洋葱碳添加到树脂中不能达到提高力学性能的目的。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种改性洋葱碳/环氧树脂复合材料及其制备方法。所述的改性洋葱碳/环氧树脂复合材料相对比环氧树脂本身以及现有技术中的洋葱碳/环氧树脂复合材料的韧性有很大的提高，改性洋葱碳和环氧树脂之间的界面结合性能大大提高，有利于洋葱碳本身性能的发挥。

本发明提出的一种改性洋葱碳/环氧树脂复合材料为黑色固体，是两相结构，主体是环氧树脂基体，该环氧树脂优选为环氧862，增强相为黑色的改性洋葱碳，均匀分散于环氧树脂基体中，该改性洋葱碳在复合材料中的含量为0.1～1wt％。改性洋葱碳在四氢呋喃(THF)溶剂中存在厚度为1～4nm，改性洋葱碳颗粒尺寸0.2～0.4μm。本发明提出的改性洋葱碳/环氧树脂复合材料的冲击强度为1～3KJ/m²。

本发明提出一种改性的洋葱碳/环氧树脂复合材料的制备方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：洋葱碳的制备：

以爆轰法制备的平均粒径为10纳米左右的纳米金刚石为初始原料，将其置于刚玉坩埚中，放在马弗炉里，氩气气氛，5度/min升温速率，升至1500度保温4小时然后降温，焙烧得到黑色的洋葱碳粉末；

步骤二：氧化洋葱碳的制备：

将洋葱碳固体粉末装入圆底烧瓶中，按照每0.05g洋葱碳加入200~400ml的比例加入浓硝酸，再放入磁子，将其置于120度的油浴锅中加热搅拌12h，再使用超声清洗仪超声清洗1~2h，用去离子水洗涤至中性，加入100~200ml四氢呋喃溶剂，得到氧化洋葱碳的悬浮液；

步骤三：改性洋葱碳/环氧树脂复合材料的制备：

按照每0.08g氧化洋葱碳需加入0.0005～0.001mol2，4-甲苯二异氰酸酯(TDI)的比例，将2，4-甲苯二异氰酸酯(TDI)加入到氧化洋葱碳的悬浮液中，磁力搅拌、水浴加热至75～85℃条件下反应12h以上，得到改性洋葱碳。然后加入胺类固化剂，胺类固化剂添加量按照公式：胺质量/100g环氧树脂＝胺中活泼氢当量×环氧值计算，继续在磁力搅拌(搅拌速度为100～300r/min)、75～85℃条件下反应12h以上。然后按照改性洋葱碳在复合材料中含量为0.1～1wt％的比例添加环氧树脂，搅拌均匀后于70℃以上、固化温度以下，气体压力为0.05～0.1MPa真空条件下减压蒸馏，将四氢呋喃从液体体系中除去，直到无液体蒸出为止。将得到的混合液体中含有的气泡抽出，恢复常压后，将混合液体注入准备好的模具中，升温到环氧树脂的固化温度进行固化，固化时间为2h以上，气体压力为0.05～0.1MPa，固化完全后冷却至室温，脱模，得到满足要求的改性洋葱碳/环氧树脂复合材料。

本发明具有的优点在于：