石墨烯杂化材料改性酚醛树脂的制备与性能

发布时间：2020-09-30 10:18

　　随着近年来火箭和航空航天技术的飞速发展,人们对复合材料耐高温性能的要求也随之提高。酚醛树脂(PF)因其具有优异的耐高温性能和成熟的制备工艺,得到了社会各界的广泛关注。但是,PF的热稳定性、工艺性能还是难以满足目前航空航天领域对耐烧蚀材料提出的需求。为了进一步改善烧蚀材料的性能,必须对PF进行改性。本文利用石墨烯杂化材料对PF进行改性,首先以氧化石墨烯(GO)与纳米二氧化硅(Nano-SiO_2)为原料,采用静电自组装技术制备石墨烯杂化材料(SiO_2-GO),后经硼氢化钠(NaBH_4)化学还原制备SiO_2-RGO杂化材料,最后,利用一定工艺将石墨烯杂化材料分散于PF中,制备出高耐热、强韧性改性PF,达到提高PF复合材料烧蚀性能的目的。本论文首先研究了石墨烯杂化材料制备方法对PF耐热性能影响,分别采用原位聚合法、后加法、物理共混法、冷冻干燥法、静电自组装工艺方法制备SiO_2-GO杂化材料。采用SEM、TEM、FTIR和Zeta电位等表征手法分析杂化材料的微观形貌和结构。静电吸附方法得到的杂化材料综合效果优于其他工艺。利用不同纳米材料SiO_2-GO、Nano-SiO_2、GO改性PF。采用TGA/DSC分析杂化材料对PF耐热性的影响。结果显示,PF中掺加SiO_2-GO杂化材料能较好地提高基体的耐热性,比单纯掺加GO或者纳米SiO_2具有明显的优势。Nano-SiO_2颗粒与GO发挥协同效应,SiO_2对于热量具有一定的阻隔作用,在GO作用下能够较均匀的分散在基体中,而且吸收的热量能够通过GO片层传导消散,有效地缓解树脂受热分解过程。当掺量为2 wt.%时,SiO_2-GO/PF质量损失为5%的初始分解温度(T_(5%))为375.68℃,比纯PF树脂的分解温度310.29℃提高了65.39℃;质量损失为10%的分解温度(T_(10%))为469.70℃,比纯PF树脂的分解温度407.47℃提高了62.23℃;最大分解温度(T_(dmax))为552.82℃,比纯PF树脂的最大分解温度529.65℃提高了23.17℃,在800℃的热残留率(R_(800℃))比纯PF(R_(800℃)=64.78%)提高了4.6%。研究了改性PF固化后的化学结构,FTIR结果表明,与纯PF相比,加入杂化材料可提高PF的固化交联密度,并且少量的杂化材料能够比较均匀的分布于PF基体中。SiO_2-GO杂化材料经NaBH_4化学还原制备了SiO_2-RGO杂化材料,探究还原后的杂化材料对PF耐热性能的影响。TGA/DSC数据表明,与纯PF相比,添加1wt.%SiO_2-RGO改性PF的T_(5%)提高了115.05℃,T_(10%)提高了76.90℃,T_(dmax)提高了25.15℃;R_(800℃)提高了6.54%。这表明少量SiO_2-RGO杂化材料可以显着提高PF的热稳定性,降低了工业化成本。经过化学还原后,GO的环氧官能团的数量大幅度降低,耐热性提高。以高硅氧布(VSF)作为增强材料,改性PF作为基体材料,制备了VSF/SiO_2-RGO/PF复合材料,探究了杂化材料的加入对复合材料烧蚀性能的影响。氧-乙炔烧蚀实验结果表明,在PF中加入少量的SiO_2-RGO杂化材料有助于提高VSF/SiO_2-RGO/PR复合材料的耐烧蚀能力,质量烧蚀率小于0.17 g/s,线烧蚀小于0.10 mm/s。VSF/SiO_2-RGO/PR复合材料在模压机一定压力作用下,PF胶液中的SiO_2-RGO杂化材料会渗入VSF层间,从而使复合材料变得致密,有利于改善复合材料整体力学性能和耐烧蚀能力。
【学位单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB332
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章绪论
    1.1 引言
    1.2 改性酚醛树脂简介
    1.3 改性酚醛树脂的研究进展
        1.3.1 共混高分子聚合物改性酚醛树脂
        1.3.2 热塑性树脂改性酚醛树脂
        1.3.3 碳纳米管改性酚醛树脂
2改性酚醛树脂'>        1.3.4 Nano-SiO₂改性酚醛树脂
        1.3.5 石墨烯改性酚醛树脂
    1.4 论文研究内容与创新点
        1.4.1 研究意义与内容
        1.4.2 创新点
第二章实验方案设计与研究方法
    2.1 原料与仪器
    2.2 实验与研究方法
        2.2.1 GO的制备
2的制备'>        2.2.2 Nano-SiO₂的制备
2-GO杂化材料的制备'>        2.2.3 SiO₂-GO杂化材料的制备
2-RGO杂化材料的制备'>        2.2.4 SiO₂-RGO杂化材料的制备
        2.2.5 石墨烯杂化材料改性酚醛树脂的制备
2-RGO/PF复合材料的制备'>        2.2.6 VSF/SiO₂-RGO/PF复合材料的制备
    2.3 表征与测试
第三章石墨烯杂化材料的表征
2-GO杂化材料的表征'>    3.1 SiO₂-GO杂化材料的表征
2-RGO杂化材料的表征'>    3.2 SiO₂-RGO杂化材料的表征
    3.3 本章小结
2-GO杂化材料改性酚醛树脂'>第四章 SiO₂-GO杂化材料改性酚醛树脂
    4.1 不同的纳米材料对酚醛树脂热稳定性的影响
    4.2 杂化材料制备方法对酚醛树脂热稳定性的影响
2-GO杂化材料添加量对酚醛树脂热稳定性的影响'>    4.3 SiO₂-GO杂化材料添加量对酚醛树脂热稳定性的影响
2的比例对酚醛树脂热性能的影响'>    4.4 杂化材料中GO与SiO₂的比例对酚醛树脂热性能的影响
    4.5 小结
2-RGO杂化材料改性酚醛树脂'>第五章 SiO₂-RGO杂化材料改性酚醛树脂
2-RGO改性酚醛树脂热性能'>    5.1 SiO₂-RGO改性酚醛树脂热性能
2-RGO改性酚醛树脂固化物结构'>    5.2 SiO₂-RGO改性酚醛树脂固化物结构
2-RGO杂化材料改性机理研究'>    5.3 SiO₂-RGO杂化材料改性机理研究
    5.4 小结
2-RGO/PF）复合材料的性能'>第六章高硅氧玻璃纤维（VSF/SiO₂-RGO/PF）复合材料的性能
2-RGO/PF复合材料工艺流程'>    6.1 VSF/SiO₂-RGO/PF复合材料工艺流程
2-RGO/PF复合材料的性能'>    6.2 VSF/SiO₂-RGO/PF复合材料的性能
    6.3 小结
第七章结论
参考文献
致谢
附录

【参考文献】