石墨烯改性复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 石墨烯改性复合材料及其制备方法 (Graphene modified composite material and preparation method thereof ) 是由 李娟� 胡志坚 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及石墨烯技术领域,公开了石墨烯改性复合材料,按重量份组成如下：2～2.5份改性石墨烯、60～65份共聚聚丙烯树脂、35～40份二甲基甲酰胺、10～12份邻苯二甲酸酯、2～3份烷基二乙醇酰胺、1～2份二乙烯三胺和1～2份硬脂酸盐。本发明由改性石墨烯、共聚聚丙烯树脂、二甲基甲酰胺、邻苯二甲酸酯、烷基二乙醇酰胺、二乙烯三胺和硬脂酸盐组成,具有较高的拉伸强度、拉伸模量、断裂强力和冲击强度,进而使其具有较大的承载力和弹性变形应,在外力冲击作用下,不易发生破坏现象,在弹性极限内,具有较强的抵抗弯曲变形能力,同时具有较高抗磨损能力,抗松弛性能好,形变较小的特点。(The invention relates to the technical field of graphene, and discloses a graphene modified composite material which comprises the following components in parts by weight: 2-2.5 parts of modified graphene, 60-65 parts of co-polypropylene resin, 35-40 parts of dimethylformamide, 10-12 parts of phthalic acid ester, 2-3 parts of alkyl diethanolamide, 1-2 parts of diethylenetriamine and 1-2 parts of stearate. The modified graphene/ABS alloy material disclosed by the invention consists of modified graphene, co-polypropylene resin, dimethylformamide, phthalate, alkyl diethanolamide, diethylenetriamine and stearate, has higher tensile strength, tensile modulus, breaking strength and impact strength, further has higher bearing capacity and elastic deformation stress, is not easy to damage under the action of external force impact, has stronger bending deformation resistance within an elastic limit, and has the characteristics of higher abrasion resistance, good relaxation resistance and smaller deformation.)
技术领域
本发明涉及石墨烯技术领域，具体是石墨烯改性复合材料及其制备方法。
背景技术
石墨烯是目前自然界最薄、强度最高的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍，同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。但是，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合，从而获得具有优异性能的新型复合材料，近年来，石墨烯改性材料发展迅速，其中聚合物类复合材料显示出了非常优越的性能，在能源、电子、生物医药、催化等领域都发挥应用价值。
中国专利公开了一种石墨烯改性复合材料及其制备方法(公告号CN113150490A)，该专利技术制得的石墨烯改性复合材料具有良好的尺寸稳定性、韧性与抗菌性，但是其承载力和弹性变形应力不佳，在外力冲击作用下，容易发生破坏现象。
发明内容
本发明的目的在于提供石墨烯改性复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
石墨烯改性复合材料，按重量份组成如下：2～2.5份改性石墨烯、60～65份共聚聚丙烯树脂、35～40份二甲基甲酰胺、10～12份邻苯二甲酸酯、2～3份烷基二乙醇酰胺、1～2份二乙烯三胺和1～2份硬脂酸盐。
石墨烯改性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取2～2.5份改性石墨烯加入到35～40份二甲基甲酰胺溶剂中，高速分散1h后，使得石墨烯完全溶于二甲基甲酰胺；
S2、再加入60～65份共聚聚丙烯树脂和10～12份邻苯二甲酸酯，并继续高速分散，并在60～65℃下加热2h，接着，升温至85～90℃,继续超声搅拌2h；
S2、再依次加入2～3份烷基二乙醇酰胺、1～2份二乙烯三胺、1～2份硬脂酸盐，并进行真空脱气，然后放入模具中，在60±2℃的温度下进行固化3h以上，脱模后进行切割，便制得石墨烯改性复合材料。
作为本发明再进一步的方案：所述改性石墨烯按重量份组成如下：25～30份石墨粉、500～550份浓硫酸、10～12份硝酸钠、60～65份高锰酸钾、120～130份双氧水和0.5～0.8份硅烷偶联剂。
作为本发明再进一步的方案：所述改性石墨烯的制备方法包括以下步骤：
S11、将反应釜置于冰水混合液中，然后加入500～550份浓度为98％的浓硫酸，然后，再加入25～30份石墨粉，并进行搅拌；
S12、待石墨粉与浓硫酸充分混合后，再加入10～12份硝酸钠和60～65份高锰酸钾，并使其充分反应；
S13、接着，再升温至95～100℃，同时连续不断地加入蒸馏水，反应1h后，再加入120～130份双氧水，并混合均匀，得到混合液；
S14、将S13步骤中得到的混合液进行过滤，得到滤饼，再用盐酸洗涤滤饼，至滤饼中没有硫酸根离子，再调整溶液PH至4.5～5，加入0.5～0.8份硅烷偶联剂，均匀搅拌后，进行加热、过滤和烘干，得到改性石墨烯。
作为本发明再进一步的方案：所述S12步骤中反应的条件如下：先控制温度在3～4℃，反应2h，然后升温至33～38℃，反应30min。
作为本发明再进一步的方案：所述S14步骤中加热、过滤和烘干的条件如下：在60～65℃下加热2h后，再用丙酮冲洗去除未反应的硅烷偶联剂，再进行过滤后，利用乙醇冲洗至中性，再进行烘干处理。
作为本发明再进一步的方案：所述硬脂酸盐可以选用硬脂酸钙、硬脂酸锌以及硬脂酸钡中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明由改性石墨烯、共聚聚丙烯树脂、二甲基甲酰胺、邻苯二甲酸酯、烷基二乙醇酰胺、二乙烯三胺和硬脂酸盐组成，具有较高的拉伸强度、拉伸模量、断裂强力和冲击强度，进而使其具有较大的承载力和弹性变形应力，在外力冲击作用下，不易发生破坏现象，在弹性极限内，具有较强的抵抗弯曲变形能力，同时具有较高抗磨损能力，抗松弛性能好，形变较小的特点。
具体实施方式
本发明实施例中，石墨烯改性复合材料，按重量份组成如下：2～2.5份改性石墨烯、60～65份共聚聚丙烯树脂、35～40份二甲基甲酰胺、10～12份邻苯二甲酸酯、2～3份烷基二乙醇酰胺、1～2份二乙烯三胺和1～2份硬脂酸盐。
石墨烯改性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取2～2.5份改性石墨烯加入到35～40份二甲基甲酰胺溶剂中，高速分散1h后，使得石墨烯完全溶于二甲基甲酰胺；
S2、再加入60～65份共聚聚丙烯树脂和10～12份邻苯二甲酸酯，并继续高速分散，并在60～65℃下加热2h，接着，升温至85～90℃,继续超声搅拌2h；
S2、再依次加入2～3份烷基二乙醇酰胺、1～2份二乙烯三胺、1～2份硬脂酸盐，并进行真空脱气，然后放入模具中，在60±2℃的温度下进行固化3h以上，脱模后进行切割，便制得石墨烯改性复合材料。
优选的，改性石墨烯按重量份组成如下：25～30份石墨粉、500～550份浓硫酸、10～12份硝酸钠、60～65份高锰酸钾、120～130份双氧水和0.5～0.8份硅烷偶联剂。
优选的，改性石墨烯的制备方法包括以下步骤：
S11、将反应釜置于冰水混合液中，然后加入500～550份浓度为98％的浓硫酸，然后，再加入25～30份石墨粉，并进行搅拌；
S12、待石墨粉与浓硫酸充分混合后，再加入10～12份硝酸钠和60～65份高锰酸钾，并使其充分反应；
S13、接着，再升温至95～100℃，同时连续不断地加入蒸馏水，反应1h后，再加入120～130份双氧水，并混合均匀，得到混合液；
S14、将S13步骤中得到的混合液进行过滤，得到滤饼，再用盐酸洗涤滤饼，至滤饼中没有硫酸根离子，再调整溶液PH至4.5～5，加入0.5～0.8份硅烷偶联剂，均匀搅拌后，进行加热、过滤和烘干，得到改性石墨烯。
优选的，S12步骤中反应的条件如下：先控制温度在3～4℃，反应2h，然后升温至33～38℃，反应30min。
优选的，S14步骤中加热、过滤和烘干的条件如下：在60～65℃下加热2h后，再用丙酮冲洗去除未反应的硅烷偶联剂，再进行过滤后，利用乙醇冲洗至中性，再进行烘干处理。
优选的，硬脂酸盐可以选用硬脂酸钙、硬脂酸锌以及硬脂酸钡中的一种或多种。
为了更好地说明本发明的技术效果，通过下述试验进行阐述：
选用本发明制备的石墨烯改性复合材料作为实施例；
选用中国专利公开的一种石墨烯改性复合材料(公开号：CN108864541A，日：2018-11-23)制备的石墨烯改性复合材料作为对比例一；
选用中国专利公开的一种石墨烯改性复合材料及其制备方法(公开号：CN113150490A，日：2021-07-23)制备的石墨烯改性复合材料作为对比例二；
把实施例、对比例一和对比例二的石墨烯改性复合材料分别加工成200×10×2mm3的长条状结构；
一、对实施例、对比例一和对比例二的长条状结构分别进行拉伸性能测试、冲击性能测试、弯曲性能测试、摩擦磨损性能测试试验。
通过冲击性能测试试验得到实施例、对比例一和对比例二的石墨烯改性复合材料的冲击强度(单位：KJ/m2)；通过弯曲性能测试试验得到实施例、对比例一和对比例二的石墨烯改性复合材料的弯曲强度(单位：MPa)和弯曲模量(单位：GPa)；通过拉伸性能测试试验得到实施例、对比例一和对比例二的石墨烯改性复合材料的断裂强力(单位：kN)、拉伸强度(单位：MPa)和拉伸模量(单位：GPa)，并把结果记录到下表1中。
表1：实施例、对比例一和对比例二强度性能分析表
通过表1分析可以得出：
通过拉伸性能测试试验的结果可知：实施例中的拉伸强度和拉伸模量均显著大于对比例一和对比例二中的拉伸强度和拉伸模量，从而可以得出本发明制备的石墨烯改性复合材料具有较高的拉伸强度和拉伸模量，进而可知其具有较大的承载力和弹性变形应力；
通过冲击性能测试试验可知：实施例中的断裂强力和冲击强度均显著高于对比例一和对比例二中的断裂强力和冲击强度，从而可以得出本发明制备的石墨烯改性复合材料具有较高的断裂强力和冲击强度，进而可知其具有较好的冲击韧性，在外力冲击作用下，不易发生破坏现象；
通过弯曲性能测试试验可知：实施例中的弯曲强度和弯曲模量均显著高于对比例一和对比例二中的弯曲强度和弯曲模量，从而可以得出本发明制备的石墨烯改性复合材料具有较高的弯曲强度和弯曲模量，进而可知其具有较强的抵抗外力的能力，在弹性极限内，具有较强的抵抗弯曲变形能力。
二、对实施例、对比例一和对比例二的长条状结构分别进行摩擦磨损性能测试、蠕变性能测试、应力松弛测试和动态力学分析试验
其中，摩擦磨损性能测试在转速480r/min，压力0.98MPa下，5min后检测表面磨损量；蠕变性能测试和应力松弛测试在应变0.5％，温度150℃，时间2h，单悬臂模式下进行；动态力学分析在升温速率3K/min，空气气氛，单悬臂模式下进行。
通过摩擦磨损性能测试试验得到实施例、对比例一和对比例二的石墨烯改性复合材料的磨损量(单位：g)；通过应力松弛测试试验得到实施例、对比例一和对比例二的石墨烯改性复合材料的松弛模量的平衡值(单位：MPa)；通过蠕变性能测试试验得到实施例、对比例一和对比例二的石墨烯改性复合材料的形变率(单位：％)；通过动态力学分析试验得到实施例、对比例一和对比例二的石墨烯改性复合材料的储能模量变化率(单位：MPa/℃)
表2：实施例、对比例一和对比例二变形性能分析表
通过表2分析可以得出：通过摩擦磨损性能测试试验的结果可知：实施例中的磨损量显著小于对比例一和对比例二中的磨损量，从而可以得出本发明制备的石墨烯改性复合材料具有较高抗磨损能力；
通过应力松弛测试试验和蠕变性能测试试验可知：实施例中的松弛模量的平衡值和形变率均显著小于对比例一和对比例二中的松弛模量的平衡值和形变率，从而可以得出本发明制备的石墨烯改性复合材料具有抗松弛性能好，形变较小的特点；
通过动态力学分析试验的结果可知：实施例中的储能模量变化率显著小于对比例一和对比例二中的储能模量变化率，从而可以得出本发明制备的石墨烯改性复合材料的回弹变化率较小。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。