[发明专利]一种氨基封端改性氧化石墨烯及其环氧纳米复合材料

说明书

本发明涉及一种氨基封端改性氧化石墨烯及其环氧纳米复合材料。具体公开了一种改性氧化石墨烯，其是由A基团替换氧化石墨烯表面羧基上的‑OH基团所得，A基团的结构如下所示；本发明还公开了采用该种改性氧化石墨烯作为原料制备得到的环氧纳米复合材料。本发明制备的氨基封端改性的改性氧化石墨烯，在低添加下，可以大幅度提高环氧纳米复合材料的储能模量和玻璃化转变温度，提高复合材料的刚性和耐热性，同时还能显著提升力学性能，特别是拉伸性能，综合性能优异，应用前景优良。

技术领域

本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种氨基封端改性的氧化石墨烯及其环氧纳米复合材料。

背景技术

环氧树脂作为一种重要的热固性树脂，具有优良的物理机械性能、电绝缘性、耐化学腐蚀性、耐热及粘接性能和优良的成型工艺性，而广泛应用于化工、汽车、电子、机械及航空航天等领域。随着现代材料科学技术领域的飞速发展，对环氧树脂提出了越来越高的要求，其发展趋势向多功能化、精细化及高性能化等方向发展。其中，环氧树脂作为最重要的高性能复合材料基体树脂之一，在航空航天领域具有极其重要的应用价值，其高强度、模量和韧性直接影响新一代高性能纤维性能优势的发挥，而通过传统分子结构设计等改性方法来获得高性能环氧树脂基体已越来越困难。因此，亟需新的思路和方法来获得强韧化的新一代高性能环氧复合基体材料，开发出更高性能的环氧树脂基体，以便与高性能的纤维(碳纤维、芳纶纤维等)相匹配，从而能制备出综合性能优异的高性能树脂基复合材料。

环氧树脂存在的最大弱点是固化后的三维交联网络结构，强烈限制了环氧分子链的运动，因而固化产物的脆性较大、耐冲击韧性差以及耐应力开裂性能低。因此，作为高性能复合材料的树脂基体使用，必须提高环氧树脂的韧性。然而，通常提高材料韧性的方法，往往存在使材料的强度、模量以及耐热性等劣化的问题。因此，探索兼具高强度、高模量、高断裂韧性、高耐热性且加工成型性优良的高性能化环氧树脂，从而更好的与高性能增强纤维相匹配，制备出高性能树脂基复合材料，具有重要的科学意义和应用前景。

围绕着环氧树脂的强韧化改性，主要是通过在其中引入第二相来实现，常见的改性方法包括：橡胶弹性体和热塑性树脂增韧改性、互穿聚合物网络(IPNs)增韧改性、热致性液晶聚合物(TLCP)增韧改性、核-壳聚合物橡胶粒子以及刚性纳米粒子增韧改性等。不同的强韧化改性方法存在着其优点和不可避免的弊端，如：1、橡胶弹性体虽然能够提高材料的断裂韧性，但不可避免的会牺牲材料的弹性模量及耐热性，因而不适用于高性能环氧树脂基体的改性；2、热塑性塑料/EP复合体系的模量、耐热性等降低不明显，甚至会有不同程度的增加，但其增韧环氧树脂的效果不显著；3、IPNs/EP复合体系处于分子级别的混合，能最大限度的抑制相分离，因而改性效果显著，主要表现在改性体系韧性提升的同时，而其拉伸强度和耐热性没有下降或略有提高。但该方法制备过程复杂，工艺周期较长。4、TLCP增韧改性环氧树脂既能提高改性体系的韧性，又能保证材料良好的力学性能和耐热性。但TLCP合成困难、生产成本高，并且其热变形温度较高，加工困难，与通用环氧树脂的匹配性较差。5、CSR粒子与传统橡胶增韧改性相比，能在保持材料耐热性的同时改善材料的韧性，但其合成制备过程复杂，需要较精确的控制其粒径分布。6、刚性纳米粒子由于其独特的表面效应和纳米尺寸效应，因此不仅能有效强韧化EP，而且还能提高EP的耐热性。但是，纳米粒子具有极高的表面能而极易发生团聚，分散性较差，从而限制了它的应用范围。因此，探索兼具高强度、高模量、高断裂韧性的改性环氧体系具有重要的应用价值。