氧化石墨烯-環氧樹脂復合材料的界面改性與性能研究.pdf

1、石墨烯是目前已知強度最高的材料，只有單原子層厚度的石墨烯具有許多優異的性能，他的出現在21世紀初期的科學界掀起了一股研究的熱潮。其中，以石墨烯作為增強體制備石墨烯/樹脂納米復合材料是十分引人注目的研究焦點之一，因為石墨烯的引入賦予了樹脂基復合材料以出色的力學、熱學性能以及光學、電學等功能性。然而，石墨烯的批量制備及其與樹脂的親和性卻一直制約著石墨烯在樹脂基復合材料中的應用。另一方面，作為繼承了石墨烯大部分力學性能的一種重要衍生物，氧化石

2、墨烯憑借著片層表面豐富的含氧官能團和批量制備的簡單可操作性，在樹脂基復合材料領域引起了極大關注。隨著研究的深入，氧化石墨烯的表面狀態越來越難以適應日益增長的應用需求，為了進一步獲得更高性能的氧化石墨烯/樹脂復合材料，需要對氧化石墨烯進行表面修飾以得到更好的界面性能，而官能團的大量存在也為其表面修飾提供了可能。
　　本文首先制備了氧化石墨烯，并以原始氧化石墨烯（aGO）為起點，使用“清洗-重建”過程制備了堿洗氧化石墨烯（bwGO）和

3、兩種不同端基的硅烷化氧化石墨烯，分別為端氨基的APTS-GO和端環氧基的GPTS-GO，然后使針棒狀的凹凸棒土粘土顆粒吸附在氧化石墨烯表面得到了一種一維-二維復合物ATP-GO。這五種不同表面狀態的氧化石墨烯被分別用作增強體材料摻入環氧樹脂中制備了多種組分的氧化石墨烯/環氧樹脂復合材料，并且研究了復合材料的拉伸力學性能、斷裂韌性、動態力學性能和熱穩定性。
　　多官能團的aGO比少官能團的bwGO表現出更高的力學性能增強，aGO的含

4、量為1wt％時，aGO/epoxy復合材料的楊氏模量和拉伸強度達到最高，為3.1GPa和79.7Mpa，比純環氧樹脂分別增加了24%和14%；復合材料的臨界應力強度因子KIC和臨界能量釋放率GIC在0.5wt% aGO/epoxy中達到最高，分別為1.27 MPam1/2和0.45 kJ/m2，均較環氧樹脂增加了25%；而玻璃化轉變溫度（Tg）達最高時復合材料中含有0.2wt%的aGO，其值為133℃，比環氧樹脂提高了5.1℃；由于含有

5、更多的含氧官能團，aGO使環氧樹脂復合材料的熱穩定性下降，較少官能團的bwGO卻能提高復合材料的熱性能。
　　硅烷化氧化石墨烯增強的環氧樹脂復合材料比aGO和bwGO增強的復合材料擁有更好的力學性能，尤其是斷裂韌性。表面官能團的不同也使兩種硅烷化氧化石墨烯對環氧樹脂的增強行為有所不同：端氨基的APTS-GO對復合材料楊氏模量和拉伸強度的增強效率更高，0.2wt% APTS-GO/epoxy復合材料的楊氏模量和拉伸強度最高，為3.3

6、GPa和81.2MPa，比純環氧樹脂分別提高了32%和16%；而端環氧基的GPTS-GO則對復合材料的韌性增強更明顯，0.2wt% GPTS-GO/epoxy復合材料的KIC和GIC值最大，為1.46MPam1/2和0.62kJ/m2，與純環氧樹脂相比分別增加了43%和72%。
　　ATP-GO復合增強體對復合材料力學性能的增強幅度高于單獨使用ATP或GO作為增強材料，并且只有在復合增強體的兩種組分達到最優質量配比時才能使復合材料

7、獲得最高的力學性能，1wt%ATP+0.2wt%GO便是最優的配比，此時的A1G02/epoxy復合材料擁有最高的楊氏模量、拉伸強度、KIC和GIC，分別為3.4GPa、80.8Mpa、1.29MPa·m1/2和0.43kJ/m2，比純環氧樹脂增加了36%、16%、27%和19%。得益于ATP的加入，ATP-GO/epoxy復合材料的熱性能也高于aGO增強的復合材料。
　　本文繼而使用拉曼（Raman）光譜實驗方法研究了五種氧化石

8、墨烯在環氧樹脂中的分散狀態和兩相間的界面相互作用，并以此為基礎討論了不同表面狀態氧化石墨烯在復合材料中的微觀作用機制。官能團數量的變化使bwGO在基體中的分散性和界面載荷傳遞效率劣于 aGO；氨基硅烷化的APTS-GO的分散性不如GPTS-GO，卻能更好地與基體間進行載荷傳遞，但是APTS-GO的載荷傳遞效率卻低于aGO，這是因為硅烷偶聯劑的修飾在氧化石墨烯片層的附近引入了柔性界面層吸收了部分應變能；ATP-GO復合物在基體中的分散性略