一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于功能高分子材料领域，具体涉及一种具有超强压缩能力和导电能力的芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

石墨烯是一种二维的碳纳米材料，具有优异的力学性能和导电、导热性能，且比表面积大，在纳米复合材料、传感器、纳米电子学和能源存储等领域备受关注。将石墨烯在聚合物基体中均匀地分散能够制备出具有优异性能的纳米复合材料。环氧树脂是一种应用非常广泛热固性树脂，石墨烯等多种纳米填料被添加到环氧树脂中来提高其强度、韧性以及导电、导热性能。石墨烯/环氧树脂通常是通过溶剂共混的方式，不仅耗费大量的溶剂，而且由于石墨烯片层中有很强的范德华力作用，其在树脂基体里聚集非常严重，最终的复合材料的远远不能达到预期效果。

制备三维石墨烯材料与环氧树脂复合将解决石墨烯在环氧树脂中的分散不均匀性。3D石墨烯是将石墨烯纳米片通过模板导向法、交联方法以及原位还原法制备出的互相联通的多孔材料，具有极大的比表面积，在纳米复合材料、能源储存、吸附、传感器和催化降解材料等领域都有潜在的应用。但是，石墨烯气凝胶材料由于自身比较脆，在纳米复合材料加工过程中易碎，三维网络结构遭到破坏，将会严重影响复合材料性能，因此，需要增强石墨烯气凝胶的力学性能。通过在三维石墨烯中引入芳纶纤维，可显著改善石墨烯气凝胶的力学性能，同时，石墨烯和纤维都可实现均匀的分散，可显著提高复合材料的导电性能和力学性能。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法，以解决石墨烯和纤维在环氧树脂中的分散问题，从而获得高压缩强度和高导电性的复合材料，并提供该复合材料作为具有优良缓冲能力的导电材料或电磁屏蔽材料的应用。

本发明的第一方面，提供一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料，芳纶纤维均匀分散负载于3D石墨烯上，所述复合材料导电性在10²S/cm以上，压缩强度为115Mpa以上。

进一步，所述芳纶纤维为对位芳纶纤维浆粕，其平均长度为2mm-2.5mm。

进一步，所述复合材料中芳纶纤维与3D石墨烯的质量比为1:0.1～1：50；优选为1：0.4-1：20。

本发明的第二个方面，提供一种芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯超声分散均匀后，加入芳纶纤维搅拌均匀，进行化学还原得到了芳纶纤维增强的石墨烯水凝胶，经冷冻干燥或超临界干燥后，得到芳纶纤维增强的石墨烯气凝胶；

（2）将步骤（1）得到的芳纶纤维增强的石墨烯气凝胶高温处理后，得到高导电的复合气凝胶；

（3）在步骤（2）得到高导电的复合气凝胶中真空灌注环氧树脂组合物，得到所述3D石墨烯/环氧树脂复合材料。

进一步，步骤（1）中，超声时间为0.5-2h，将氧化石墨烯与芳纶纤维按照1：0.4～1：20的比例混合后，采用两步处理的方法，首先在60-90℃加热6-12h进行化学还原，干燥后，再进行高温热处理。

进一步，所述的化学还原使用的还原剂为氢碘酸HI、抗坏血酸VC、对苯二胺中的一种或几种，反应时间为2-24h。

进一步，所述的高温热处理的温度为1000℃以上，处理时间为1h以上。

进一步，其中所用环氧树脂组合物是由以下重量份数的原料制成：环氧树脂100份、固化剂0.5～89份、DMP30 1份；优选，所述环氧树脂组合物是由以下重量份数的原料制成：环氧树脂100 份、固化剂1～89份、DMP-30 1份；所用环氧树脂选自双酚A型甘油醚类环氧树脂或缩水甘油类环氧树脂，所用固化剂选自聚醚胺固化剂、聚酰胺固化剂、胺类固化剂、酸酐类固化剂、咪唑类固化剂中的任意一种或两种以上。

进一步的，步骤（4）中，在步骤（3）得到高导电的复合气凝胶中真空灌注环氧树脂组合物，放置在真空烘箱中，固化温度为80～ 160℃，固化的时间为0～6h。

需要说明的是，所述的氧化石墨烯可以通过常规方法制备得到，如采用改性hummers方法制备。

本发明的第三个方面，提供所述的芳纶纤维增强的3D石墨烯/环氧树脂复合材料作为具有优良缓冲能力的导电材料或电磁屏蔽材料的应用。

本申请将首先制备纤维增强的3D石墨烯的预制件结构材料，将石墨烯与对位芳纶纤维通过分子间作用力和氢键的作用力，预先形成了一定的形状，通过真空灌注的方法与环氧树脂复合后，在环氧树脂复合材料中保持了石墨烯以及纤维均匀三维网络结构，因此有效地解决了石墨烯和纤维在环氧树脂中的分散问题以及导电网络的构建，因此获得了高压缩强度和高导电性的3D石墨烯/环氧树脂复合材料。

与现有的制备的3D石墨烯的技术相比，芳纶纤维增强的3D石墨烯可在常压条件下，较短时间就可以形成具有一定力学强度的水凝胶，经冷冻干燥后所形成的气凝胶比普通的石墨烯气凝胶的压缩性能高5倍以上，再经高温热处理后，掺杂的芳纶纤维转变为碳纤维和石墨烯，在石墨烯片层间起到连接作用，因此极大地增强其电导率，可达到10²s/m以上，同时具有优异的抗压缩性能，压缩强度可达146MPa，制得的复合材料的密度为1.0～1.2g/cm³。本发明的制备条件温和，操作简单，适合大规模工业化生产高性能石墨烯气凝胶及3D石墨烯/环氧树脂复合材料。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步说明：

图1 为实施例1的纤维增强的3D石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料电导率曲线；

图2 为实施例1的纤维增强的3D石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料压缩应力应变曲线；

图3 为实施例2的纤维增强的3D石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料电导率曲线；

图4 为实施例3的3D石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料电导率曲线；

图5 为实施例4的石墨烯纳米片层/环氧树脂复合材料电导率变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

实施例1

氧化石墨可通过如下方法制备得到：在 1000mL 的三口烧瓶中加入300目鳞片石墨，冰浴，缓慢加入浓硫酸和硝酸钠，其间不停地搅拌，保持温度不高于 5℃，直至完全溶解，加入高锰酸钾，混合物在 35℃的油浴下反应6h，停止搅拌，然后加入缓慢加入460mL的去离子水，保证温度不超过95℃，混合物在95℃保持15min，结束反应，将混合溶液移至 2L 的烧杯中，加入 1.4L 的去离子水，搅拌反应 2h后缓慢加入 25mL 30%的过氧化氢，静置一夜，去除多余的高锰酸钾，放置。（4）混合液沉降后，除去上清液，用大量的5%的 HCl 溶液洗涤，然后水洗至中性，进行离心，最后进行冷冻干燥，获得氧化石墨粉末。GO按照所需的浓度，经超声破碎30min后制得氧化石墨烯溶液。

（1）将对位芳纶纤维浆粕与氧化石墨烯按照比例混合，均质机搅拌均匀，并加入3倍于氧化石墨烯用量的氢碘酸，进行还原，将混合物密封在容器中，放入90℃烘箱中，保持12h，制备水凝胶，将所制备的水凝胶在蒸馏水中浸泡，逐步替换出其中的氢碘酸，持续三天的时间，然后冷冻干燥，为了维持气凝胶的多孔结构，首先将水凝胶在液氮中冷冻干燥，然后再迅速放入冷冻干燥机中，干燥72h，制备得气凝胶。

（2）将所制备的气凝胶，在1300℃下，高温处理2h，得到碳化的气凝胶。

（3）步骤（2）将所制备的气凝胶放置于一定容器中，加入经真空旋转脱泡混匀的环氧树脂和/六氢甲基苯酐固化剂、促进剂DMP30，经真空抽滤使环氧树脂逐渐进入气凝胶的孔洞中，并充满整个孔洞，然后将充满环氧树脂的气凝胶按照纯环氧树脂的固化工艺进行固化，具体工艺为80℃2h→120℃2h→160℃2h。按照不同密度的气凝胶，制备不同含量的3D石墨烯/纤维/环氧复合材料试样（5.5%纤维-0.7%石墨烯，3.6%纤维-0.9%石墨烯，1.9%纤维-1.2%石墨烯）。

电导率和压缩性能测试结果见附图1和附图2。 由于石墨烯预先形成了三维空间网络结构，因此与环氧树脂复合后，石墨烯仍然保持其互相联通的状态，因此，使环氧树脂复合材料的导电率提高到了10²s/m，而且由于石墨烯本身的高硬度以及纤维增强的网络结构，使得环氧树脂复合材料的压缩性能得到了大幅度的提高，在受到外力压缩时，网络结构提供了良好的负荷转移，因此使得压缩性能比纯环氧树脂的压缩性能得到了较大的提高，而且，随着纤维含量的提高，曲线的平台逐步延伸，意味着复合材料可以经受较大的复合压缩而不发生材料的破坏。

对比实施例2

（1）同实施例1中的步骤（1）；

（2）同实施例1中的步骤（2）；

（3）将步骤（2）中比实施例1增加：所制备的高温碳化后的石墨烯气凝胶粉碎后，与环氧树脂、六氢甲基苯酐、促进剂DMP30在真空脱泡机中真空脱泡30min，去除气泡。

（4）同实施例1的步骤（4），将步骤（3）中的环氧树脂混合体系倒入模具中，放入烘箱中进行固化，按照80℃2h→120℃2h→160℃2h进行固化。

将固化后的样品进行电导率的测试，结果见附图3。

将所制备的纤维增强的石墨烯气凝胶的网络结构粉碎后成粉末后与环氧树脂复合后进行电导率测试，可以看到，所制备的环氧树脂复合材料的电导率明显低于三维结构的石墨烯气凝胶与环氧树脂的复合材料，主要原因在于三维网络结构的石墨烯在环氧树脂体系内构成了电子的传输通道，而将所制备的气凝胶粉碎后，由于气凝胶颗粒在环氧树脂中的分散不均匀，最终复合材料电导率较低。

对比实施例3

（1）同实施例1中的步骤（1）；

（2）将配置一定浓度的氧化石墨烯溶液并超声，然后加入3倍于氧化石墨烯用量的HI,进行还原，在90℃烘箱中，保持10h，制备石墨烯水凝胶并冷冻干燥，制备得石墨烯气凝胶。将所制备的气凝胶，在1300℃下，高温处理2h，得到碳化的气凝胶。

（3）同实施例1中的步骤（3）；

（4）同实施例1中的步骤（4）。

将固化后的样品进行电导率和压缩性能的测试，结果见附图4。从结果看，纯石墨烯气凝胶与环氧树脂复合后，电导率也能获得较大的提高，但是仍然低于纤维增强的石墨烯气凝胶复合的环氧树脂，这是因为纤维在高温碳化后，成为碳纤维，附着在石墨烯片层上，将不同石墨烯片层连接起来了，降低了片层之间的电阻，因此纯石墨烯气凝胶复合的环氧树脂复合材料的导电性低于纤维增强的石墨烯气凝胶环氧树脂复合材料。

对比实施例4

（1）同实施例1中的步骤（1）；

（2）所制备的氧化石墨烯超声分散后，加入氢碘酸还原，并不断搅拌，还原10h后，烘干，制得石墨烯粉末，并在1300℃条件下高温处理2h，得到热解的石墨烯粉末。

（3）将所制备的高温热解的石墨烯粉末与环氧树脂、六氢甲基苯酐、促进剂DMP30在真空脱泡机中混匀，脱泡。

（4）将步骤（3）中的混合体系倒入模具中，按照80℃2h→120℃2h→160℃2h进行固化。

将固化后的样品取出，进行导电性能测试 结果见附图5。从结果中可以看出，石墨烯粉末作为填料与环氧树脂复合后，导电性能虽然也能得到一定的提高，但远远低于网络结构的石墨烯气凝胶环氧树脂的复合材料的电导率，主要原因在于，网络结构的石墨烯填料有利于电子的传输，因此极低含量的石墨烯就可以使环氧树脂复合材料的电导率提高到一定程度，而粉末材料往往在环氧树脂中易团聚，因此必须达到一定量才能构筑电子的传输通道，因此其对环氧树脂的电导率的提高不如网络结构石墨烯气凝胶明显。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化，都应属于本发明的保护范围。