[发明专利]一种石墨烯聚合物复合膜及其改性树脂基复合材料和制备方法

说明书

本发明涉及石墨烯聚合物复合膜及其改性树脂基复合材料和制备方法，属于高性能复合材料领域。本发明提供石墨烯聚合物复合膜及其改性树脂基复合材料由石墨烯材料、热塑性聚合物和树脂基复合材料组成，其中石墨烯材料、热塑性聚合物以具有微观多孔结构的石墨烯热塑性聚合物复合膜的形式存在于树脂基复合材料的层间。本发明提供石墨烯聚合物复合膜改性树脂基复合材料的制备方法将石墨烯材料和热塑性聚合物制备成石墨烯聚合物复合膜，进一步制备改性树脂基复合材料。本发明中石墨烯聚合物复合膜的多孔结构有利于和树脂在成型过程中的相互结合，提高复合材料层间均匀性、耐热性，并有效改善复合材料力学性能，具有较大的实际应用价值。

技术领域

本发明涉及一种改性高性能复合材料和制备方法，具体涉及一种石墨烯/聚合物复合膜、改性树脂基复合材料及其制备方法。

背景技术

有效提高树脂基复合材料抗冲击损伤能力，即实现复合材料的高韧化，是高性能复合材料的主要研究方向。现有的增韧复合材料的方法中主要使用1)橡胶、2)热塑性聚合物、3)刚性粒子与树脂基体共混引入到复合材料中，达到增韧效果。当前，又有一种层间增韧的方法，即在复合材料的层间铺放热塑性聚合物粉末、结构致密的热塑性聚合物薄膜或者碳纳米管薄膜来提高韧性。层间铺放的热塑性聚合物薄膜和碳纳米管薄膜虽然能有效提高复合材料的抗冲击损伤能力，但是薄膜的致密结构严重阻碍了基体树脂在层间的流动及其挥发性成分在层间的排出，从而导致复合材料的质量下降。另外，碳纳米管薄膜的制备工艺较难、不连续和薄膜的尺寸较小等限制其在复合材料中的应用。此外，发明CN201410545346.X、CN201210217642.8、CN200710063099.X提出通过加入静电纺丝的步骤实现将热塑性聚合物增韧剂或者碳纳米管增韧剂直接地附于纤维预制体或预浸料的表面，而后制得增韧复合材料的方法。所提出方法需要对纤维预制体和预浸料的生产步骤和设备进行改进，不易推广利用。与碳纳米管相比，石墨烯具有良好的弹性和极大的比表面积(比表面积为2630m²g^-1)，极高的杨氏模量(约1TPa)和断裂强度(130GPa)，适合用于开发轻质高性能的复合材料。将石墨烯作为一种增强增韧材料，与热塑性聚合物一起添加到复合材料中，可以进一步改善复合材料的强度和韧性，因此本发明提出一种同时包含有石墨烯和热塑性聚合物的轻质高性能复合材料，以及直接面向生产的高性能复合材料制备方法。

发明内容

本发明提供一种石墨烯和热塑性聚合物的复合膜材料及其协同改性的树脂基复合材料，还提供石墨烯和热塑性聚合物的复合膜材料及其协同改性的树脂基复合材料的制备方法。

本发明技术方案是：一种石墨烯聚合物复合膜改性树脂基复合材料，其包括(a)石墨烯材料、(b)热塑性聚合物以及(c)树脂基复合材料，石墨烯材料和热塑性聚合物以石墨烯聚合物复合膜的形式存在于树脂基复合材料层间；所述石墨烯聚合物复合膜为由石墨烯材料和热塑性聚合物组成纤维状多孔结构,所述树脂基复合材料在成型过程中溶于多孔结构内并相互结合为一体；其中，所述石墨烯材料与热塑性聚合物的质量比为1：1～50；更优选为1：5～40；更优选1：10～20，从而在满足聚合物复合膜制备工艺要求下，通过提高石墨烯含量以进一步提升复合材料力学性能。

所述石墨烯聚合物复合膜纤维的直径为200～2000nm，从而充分保证石墨烯聚合物复合膜纤维具有较高的比表面积，以增大与树脂之间的界面接触和结合力。

所述石墨烯聚合物复合膜厚度为5～50μm，使得石墨烯聚合物复合膜纤维多孔结构具有足够的空间能够与树脂进行充分结合，保证复合材料界面完整性和力学性能。

所述石墨烯材料与热塑性聚合物充分混合，使得石墨烯热塑性聚合物纤维中石墨烯与聚合物均匀分布，该工艺相对简单，成本较低，有利于石墨烯在复合材料界面中的均匀分散。

所述石墨烯材料附着在热塑性聚合物纤维表面，使得热塑性聚合物纤维表面具有凸起或褶皱结构，从而能够进一步增大纤维与树脂之间的界面结合面积，提高复合材料界面结合强度。