[发明专利]一种自愈合柔性复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自愈合柔性复合材料及其制备方法，属于材料制备领域。本发明的自愈合柔性材料制备方法，制备了呋喃功能化的氧化石墨烯，从而增加了石墨烯片层间距，解决了石墨烯的分散性问题，并且对材料的力学性能有显著提高；使呋喃功能化的氧化石墨烯和马来酰亚胺衍生物进行Diels‑Alder反应，生成具有动态共价键的柔性材料；本发明的反应条件温和，生成的柔性材料具有优异的自愈合性能，且愈合过程无需外界刺激，在室温下能够实现自修复。本发明解决了石墨烯在聚合物基质中分散性差和聚合物复合材料自修复效率低的问题。

技术领域

本发明属于材料制备领域，尤其是一种自愈合柔性复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，大部分的柔性材料在经过弯曲或者拉伸等机械形变后，都会面临着产生裂纹和部分剥落的问题。这些问题将直接影响材料的综合性能，进而缩短使用寿命和限制柔性材料的广泛应用。基于此，可自愈合的柔性材料的研究应运而生。

自愈合材料包括通过外援存修复和本体在可逆化学反应在外界条件(如：光照、电流、pH改变、加热等)的刺激下进行自修复，其中，本征型修复可重复次数多，外界刺激条件可控。随着动态共价化学的飞速发展，通过两种或多种反应物的可逆化学反应形成的复合材料引起人们的广泛关注。最常见的动态共价键主要有亚胺键、二硫键、硼酸酯键及基于Diels-Alder反应的动态共价键。其中，Diels-Alder(DA)反应是指由双烯体和亲双烯体进行[4+2]环进行加成反应，此反应具有反应条件温和、反应速率快、温度可逆的特点。

石墨烯(graphene)具有机械强度高、比表面积大、导电导热性好、化学稳定性以及独特的室温量子霍尔效应而被广泛应用于电极材料、柔性传感器、电容器、能量储存等领域。但在实际应用中，由于石墨烯片层之间强的π-π相互作用和范德华力发生不可逆团聚，石墨烯在聚合物基质中的分散性很差，从而限制其应用。由此，具有自支撑的3D石墨烯基复合材料，如石墨烯基多孔薄膜、石墨烯基气凝胶以及水凝胶等成为研究热点。

发明内容

本发明的目的在于克服石墨烯在聚合物基质中分散性差和聚合物复合材料自修复效率低的缺点，提供一种自愈合柔性复合材料及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种自愈合柔性复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)制备含呋喃基团的功能化氧化石墨烯；

制备马来酰亚胺衍生物；

2)将含呋喃基团的功能化氧化石墨烯和马来酰亚胺衍生物混合后进行Diels-Alder反应，反应完成后得到自愈合性能的柔性复合材料；

其中，Diels-Alder反应的反应条件为：温度40-120℃，时间3-24h。

进一步的，步骤1)中制备含呋喃基团的功能化氧化石墨烯的具体过程为：

将氧化石墨烯分散在无水极性有机溶剂中，加入异氰酸酯基化合物，之后在40-100℃反应2-8h，反应完成后得到异氰酸酯基封端的氧化石墨烯；

在惰性气体的气氛下，向完成反应的反应液中加入含呋喃基团的化合物，在60-120℃反应4-10h，反应完成后得到呋喃功能化的氧化石墨烯；

其中，异氰酸酯基化合物中至少有两个异氰酸酯基团。

进一步的，所述异氰酸酯基化合物为：

对苯二异氰酸酯、1,3-苯二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、间苯二甲基二异氰酸酯、4,4′-亚甲基双(异氰酸苯酯)、4,4′-二异氰酸酯二环己基甲烷、4,4'-二异氰酸基-3,3'-二甲基联苯、三苯基甲烷三异氰酸酯、硫代磷酸三苯基异氰酸酯、化合物1或化合物2；

化合物1和化合物2的结构式如下，分子量为2000-10000：