碳纳米材料改性环氧树脂复合材料的制备与研究

发布时间：2017-09-26 16:31

  本文关键词：碳纳米材料改性环氧树脂复合材料的制备与研究

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【摘要】：本论文以环氧树脂作为树脂基体,采用氧化石墨烯、及氧化石墨烯和羟基化碳纳米管两种方式分别对环氧树脂基体进行增韧增强改性。对纳米复合材料的机械性能、热性能、机构等进行了研究,同时对氧化石墨烯/羟基化碳纳米管协同改性环氧树脂的固化动力学进行研究。研究内容如下:首先,以膨胀石墨(100目)为原料,采用改进的水热法,经超声剥离得到氧化石墨烯(GO)。利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD),以及傅里叶红外变换光谱(FT-IR)对其结构进行表征,后采用两相萃取的方法将制得的氧化石墨烯萃取到环氧树脂基体中。利用X射线衍射(XRD)仪、扫描电镜(SEM)等对环氧树脂复合材料的断面结构及断面形态进行了一系列的表征,分析了氧化石墨烯增强机理,并进行了力学性能测试及动态热机械分析(DMA)测试。结果表明,氧化石墨烯在树脂中均匀分散,复合材料的力学性能较纯环氧明显提高。当氧化石墨烯改性环氧树脂纳米复合材料中的GO加入量为0.25 wt%(质量分数)时,材料的冲击强度最高,强度值为55.17 kJ/m2,较纯环氧树脂提高了115%;拉伸强度提高了18%;断裂伸长率增加了78%。以上数据充分表明,经氧化石墨烯改性后,环氧树脂纳米复合材料的韧性得到了大幅度增加。其次,采用改进的水热法,并采用超声波对氧化石墨进行了充分的剥离,制备了氧化石墨烯(GO)。并采用两相萃取法将制得的GO萃取到环氧树脂基体中;采用超声分散及热催化反应的方法将羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs)分散到甲基六氢苯酐(MHHPA)中。利用扫描电镜(SEM)对氧化石墨烯/碳纳米管协同改性环氧树脂纳米复合材料(GO-MWCNTs/EP)的冲击断面形貌进行表征,并进行了力学性能测试及动态热机械分析(DMA)测试。试验的分析结果表明,复合材料的力学性能和热稳定性较纯环氧明显提高。当氧化石墨烯/碳纳米管协同改性环氧树脂纳米复合材料中,GO加入量为0.1 wt%时,MWCNTs含量为0.4 wt%时,纳米复合材料的冲击强度最高,强度值为84.22 kJ/m2,较纯环氧树脂提高了137%;其拉伸强度提高了48.4%;断裂伸长率增加了97.9%。表明GO-MWCNTs对环氧树脂具有协同增强协同增韧的协同效应。最后,用氧化石墨烯改性环氧树脂,用羟基化碳纳米管改性固化剂,再将改性后的固化剂与改性后的环氧树脂混合均匀,添加促进剂(有利于固化)得到复合材料样品。采用非等温DSC法对样品和纯环氧体系进行DSC扫描得到DSC曲线,再对DSC曲线进行分析。先通过非模型拟合法(Friedman法)得到模型拟合法所需的环氧体系的活化能和指前因子,然后利用模型拟合法得到的固化动力学方程将Friedman法得到的E和logA作为非线性拟合提供回归计算的初始条件,得到纯树脂体系的n级模型拟合动力学参数和改性后环氧体系Kamal模型拟合动力学参数。再对不同升温速率下的环氧树脂及改性树脂的固化起始温度、峰值温度和终止温度值进行线性回归,采用外推的方法,便可以得到当升温速率降低到0时的对应温度,进而可以确定环氧树脂体系的最佳固化温度范围。最后将DSC实验曲线和模型拟合计算得出的DSC曲线作对比,以验证反应模型的合理性。然后测试纯环氧和纳米复合材料的等温固化动力学,并进行模型拟合,对实验值和拟合值进行对比,验证反应模型的合理性。
【关键词】：环氧树脂 氧化石墨烯 碳纳米管 固化动力学 密闭氧化法
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-27
• 1.1 石墨烯16-19
• 1.1.1 氧化石墨烯概述16-17
• 1.1.2 氧化石墨的制备17-18
• 1.1.3 氧化石墨烯的剥离18-19
• 1.1.4 氧化石墨烯的结构和特性19
• 1.2 碳纳米管概述19-22
• 1.2.1 碳纳米管的制备方法及其特点20
• 1.2.2 碳纳米管功能化的方法20-21
• 1.2.3 碳纳米管的结构与特性21-22
• 1.3 环氧树脂概述22-23
• 1.3.1 环氧树脂的分类22
• 1.3.2 环氧树脂固化22-23
• 1.3.3 环氧树脂固化剂的分类及优缺点23
• 1.4 环氧树脂固化动力学研究进展23-25
• 1.4.1 环氧树脂模型拟合动力学研究进展24-25
• 1.4.2 环氧树脂非模型拟合动力学研究进展25
• 1.5 研究的目的和意义25-27
• 第2章 水热法氧化石墨烯改性环氧树脂的制备与性能27-44
• 2.1 引言27
• 2.2 实验方法及创新点27-29
• 2.2.1 实验方法27-29
• 2.2.2 创新点29
• 2.3 实验部分29-33
• 2.3.1 实验原料和设备29-30
• 2.3.1.1 实验原料29-30
• 2.3.1.2 实验仪器设备30
• 2.3.2 Hummers法氧化石墨烯的制备30-31
• 2.3.2.1 石墨的预处理30-31
• 2.3.2.2 利用Hummers法制备氧化石墨31
• 2.3.3 水热法氧化石墨的制备31
• 2.3.4 水热法氧化石墨烯/环氧树脂复合材料的制备31-32
• 2.3.5 测试与表征32-33
• 2.3.5.1 红外光谱测试32
• 2.3.5.2 XRD光谱测试32
• 2.3.5.3 原子力显微镜（AFM）测试32
• 2.3.5.4 力学性能测试32-33
• 2.3.5.5 动态热机械分析仪（DMA）测试33
• 2.3.5.6 SEM扫描电镜测试33
• 2.3.5.7 热失重分析测试33
• 2.4 结果与讨论33-42
• 2.4.1 红外光谱分析33-35
• 2.4.2 XRD谱图分析35-38
• 2.4.3 AFM分析38
• 2.4.4 力学性能分析38-41
• 2.4.5 DMA分析41
• 2.4.6 SEM分析41-42
• 2.5 本章小论42-44
• 第3章 氧化石墨烯/碳纳米管协同改性环氧树脂的制备与性能44-57
• 3.1 引言44
• 3.2 实验方法及创新点44-46
• 3.2.1 实验方法44-45
• 3.2.2 创新点45-46
• 3.3 实验部分46-49
• 3.3.1 实验原料和设备46-47
• 3.3.1.1 实验原料46
• 3.3.1.2 实验仪器设备46-47
• 3.3.2 水热法氧化石墨的制备47
• 3.3.3 羟基化碳纳米管改性甲基六氢苯酐固化剂的制备47
• 3.3.4 氧化石墨烯/碳纳米管协同改性环氧树脂纳米复合材料的制备47-48
• 3.3.5 测试与表征48-49
• 3.3.5.1 力学性能测试48
• 3.3.5.2 热失重分析测试48
• 3.3.5.3 动态热机械分析仪（DMA）测试48
• 3.3.5.4 SEM扫描电镜测试48-49
• 3.4 结果与讨论49-56
• 3.4.1 宏观分析49-50
• 3.4.2 力学性能分析50-53
• 3.4.3 热失重分析53-54
• 3.4.4 DMA分析54-55
• 3.4.5 断面形貌分析55-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第4章 氧化石墨烯/碳纳米管协同改性环氧树脂复合材料固化动力学的研究57-73
• 4.1 引言57
• 4.2 试验方法及创新点57
• 4.3 实验部分57-59
• 4.3.1 实验原料和设备57-58
• 4.3.1.1 实验原料57-58
• 4.3.1.2 实验仪器设备58
• 4.3.2 实验步骤58
• 4.3.3 测试与表征58-59
• 4.4 结果与讨论59-72
• 4.4.1 非等温DSC曲线分析59-60
• 4.4.2 活化能和旨前因子的确定60-62
• 4.4.3 线性拟合图分析62-66
• 4.4.4 树脂DSC计算曲线与实验曲线的验证66-68
• 4.4.5 树脂的等温固化温度的确定68
• 4.4.5.1 纯环氧树脂的等温固化温度的确定68
• 4.4.5.2 改性的环氧树脂的等温固化温度的确定68
• 4.4.6 纯环氧树脂等温DSC计算曲线与实验曲线的验证68-70
• 4.4.7 改性环氧树脂等温DSC计算曲线与实验曲线的验证70-72
• 4.5 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-81
• 攻读硕士期间论文发表情况81-82
• 致谢82

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