石墨烯改性环氧树脂/碳纤维复合材料的制备及性能研究

Preparation and Properties of Epoxy Resin/Carbon Fiber Composites Modified by Graphene

摘要

环氧树脂/碳纤维复合材料存在脆性大、抗冲击韧性较差的问题。为改进环氧树脂/碳纤维的性能，利用石墨烯对环氧树脂/碳纤维进行改性处理。使用硅烷偶联剂KH-560对石墨烯进行表面接枝。将接枝石墨烯与水性环氧树脂进行反应，以制备环氧树脂/碳纤维/石墨烯复合材料。结果表明：石墨烯含量为5%时，碳纤维与环氧树脂之间的界面性能最好。经过KH-560接枝后，环氧树脂的弹性模量、拉伸位移、界面剪切强度均得到提升。

关键词

石墨烯改性 / 环氧树脂/碳纤维 / 力学性能 / 化学接枝

Key words

Graphene modification / Epoxy resin/carbon fiber / Mechanical properties / Chemical grafting

环氧树脂/碳纤维(EP/CF)复合材料具有高比强度、高比模量、优异的耐疲劳性、制造可调性等优势，广泛应用于航天、航空复合材料领域。但科技发展对复合材料提出了更高的要求。CF表面化学惰性高、与树脂基体的浸润性差，使得EP/CF的界面黏结薄弱、抗分层损伤性较差、润湿性和吸附性较差，应用范围受到了限制^[1-2]。近年来，对于EP/CF复合材料的改进优化也成为研究热点。为改善复合材料的性能缺陷，通常，对CF表面进行改性。目前，常用的CF表面改性方法有：阳极氧化法、化学接枝、聚合物涂层法等。

许昆鹏等^[3]使用阳极氧化法对高模高强碳纤维表面进行改性，改性后对其进行上浆处理。结果表明，改性后的碳纤维的接触角由改性前66.3°下降为27.8°。界面剪切强度和层间剪切强度分别增加至42.3 MPa和43.6 MPa。王芬等^[4]为解决碳纤维和环氧树脂基体界面黏结性能较差的问题，采用化学接枝法在碳纤维表面构筑聚醚胺(PEA)和氧化石墨烯(GO)的分层结构。结果表明，改性后的碳纤维复合材料的界面剪切强度提高了60%。近年来，石墨烯以其优异的电性能、导热性能以及力学性能等特性，在材料优化方面有较为广泛的应用^[5]。胡晓兰等^[6]采用改进Hummers方法制备浓缩GO水溶液。通过模压工艺制备GO-EP/CF复合材料。选用四种不同型号的EP材料进行对比分析。结果表明，四种改性复合材料的玻璃化转变温度分别增加了5.2、2.6、3.7和8.3 ℃。复合材料浸润性及层间黏接性均有所改善。许江^[7]探究EP/CF复合材料用于高端体育器材时耐热性能和耐冲击性能差的问题，利用氧化石墨烯对其进行改性。对改性的复合材料的性能进行测试，结果表明：氧化石墨烯掺量为0.2%时，复合材料抗压缩性能最佳。而直接使用石墨烯存在相容性差，难以分散等问题。需要对石墨烯表面进行改性^[8]。于倩倩等^[9]利用超声分散方法制备酸化石墨烯/EP浇注体，在此基础上制备酸化石墨烯/EP/CF材料。结果表明，石墨烯添加量为0.5%时，复合材料的界面性能最佳。本实验利用硅烷偶联剂改性石墨烯，探究改性石墨烯含量对复合材料力学性能和界面性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

碳纤维，T700，12K，日本东丽公司；石墨烯(GR)，KNG-G2，厦门凯纳石墨烯技术有限公司；双酚A型环氧树脂(EP)，焦作煤业（集团）开元化工有限责任公司；固化剂，9055，蓝星新材料无锡树脂厂；偶联剂，KH-560，南京翔飞立派有机硅新材料有限公司。

1.2 仪器与设备

砂芯过滤装置，SH/T0093，早稻田生物科技发展有限公司；微孔滤膜，北京北化黎明膜分离技术有限责任公司；万能材料试验机，3385H，美国Instron公司；纤维电子强力仪，YG001A，常州市第三纺织仪器厂有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 氧化石墨烯的制备

研究选用Hummers法和超声处理制备氧化石墨烯，将石墨、硝酸钾以及浓硫酸以1:1:46的比例加入烧杯中，在搅拌的同时加入与石墨比例为1:6的高锰酸钾。此时进行加热，在40 ℃下搅拌6 h。之后加入去离子水，同时开始升温，直到温度达到60 ℃恒温下反应。反应后继续加入去离子水对烧杯中的溶液进行稀释。搅拌5 min后加入18 mL浓度30%的过氧化氢，直到溶液呈亮黄色，停止搅拌，静置。使用去离子水洗涤该溶液，直至pH值为7，进行超声处理30 min，得到氧化石墨烯的悬浮液(GO)。

1.3.2 偶联剂改性石墨烯的制备

称取一定量的KH-560，通过无水乙醇配成质量分数为2%的混合溶液。在溶液中加入100 mL的氧化石墨烯，超声分散1 h。用丙酮去洗去未反应的KH-560，用孔径为0.8μm的混纤微孔滤膜进行反复过滤，直至滤液的pH值为7。置于50 ℃的真空干燥箱中干燥，得到接枝KH-560的氧化石墨烯(KH-560-GO)。

1.3.3 复合材料的制备

将3 g碳纤维在丙酮溶液中超声0.5 h，去除表面的油剂，在80 ℃的鼓风箱中干燥2 h。碳纤维布与环氧树脂质量比为6:4，各浓度下环氧树脂/碳纤维(EP/CF)复合材料配比不变。不同石墨烯材料在复合材料中的比例为0.1%、0.2%、0.5%和1.0%、5.0%。将不同的石墨烯加入水性环氧树脂预热液中，以300 r/min的速度机械搅拌2 h，再加入9055固化剂，并机械搅拌均匀，放置到真空箱中去除气泡。将该聚合物溶液分别涂匀到碳纤维表面。再利用消泡滚筒去除表面存在的气泡，在自然风状态下静置风干。当表面的丙酮基本消散后使用模压工艺进行固化处理。在关闭加热之后，保持压力将其冷却至室温，进行脱模。GR、GO和KH-560-GO改性的复合材料，分别命名为EP/CF/GR，EP/CF/GO和EP/CF/KH-560-GO。

1.4 性能测试与表征

界面性能测试：样品尺寸20 mm×6 mm×2 mm，实验速度为1mm/min。

力学性能测试：按GB/T 1447—2005进行测试，夹持距离为20 cm，拉伸速率为2 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 复合材料界面性能分析

表1为不同EP/CF复合材料的表面能参数。表1中的三个指标分别为：γ^d为所检测样本的色散分量，γ^p为极性分量，γ为表面能^[10-12]。从表1可以看出，CF经过聚合物涂层改性后，由于其表面极性集团数目增加，使得表面的极性分量增加。当KH-560-GO含量达到5%时，EP/CF复合材料表面粗糙度增加，色散分量最大。

复合材料的界面性能可以通过层间剪切强度和界面剪切强度进行评价^[13-15]。图1为不同EP/CF复合材料的剪切强度。从图1a可以看出，在未经处理的EP/CF复合材料的界面剪切强度为44.23 MPa。当KH560-GO含量增加到5%时，相较于未经过改性的EP/CF复合材料提高了30.96%。从图1b可以看出，在相同添加量情况下，EP/CF/GR的层间剪切强度低于未改性材料EP/CF。而EP/CF/GO和EP/CF/KH560-GO的剪切强度比EP/CF的层间剪切强度高，且KH560-GO的优化效果更好。因此，石墨烯含量为0.5%的样品性能相对较优。

2.2 改性复合材料力学性能分析

表2为改性前后EP/CF复合材料的拉伸性能。从表2可以看出，加入接枝后的GO，EP/CF/0.5%KH-560-GO的拉伸性能相对较高，相较于未改性复合材料，断裂强力提高了41.45%，拉伸强度提高了22.41%，断裂伸长率提高了2.10%。由此可以看出，改性后的复合材料力学性能得到明显提升。

采用不同石墨烯对EP/CF进行本体增韧，研究其力学性能的变化规律。将弹性模量以及最大值荷载、拉伸位移作为改性效果分析的指标^[16-18]。图2为不同EP/CF复合材料的弹性模量、最大值荷载和拉伸位移。从图2可以看出，石墨烯的加入使得EP/CF的弹性模量、最大值荷载以及拉伸位移均有提升^[19-21]。EP/CF/0.5%KH-560-GO复合材料的弹性模量较未改性的EP/CF弹性模量提高了46.18%，最大值荷载提高了65.84%，拉伸位移提高了44.52%。

3 结论

为得到性能更优良的EP/CF复合材料，研究利用化学接枝法对GO进行改性，得到KH-560-GO。化学接枝改性石墨烯加入后，EP/CF复合材料的力学性能得到提升，当KH-560-GO含量为5%，复合材料的弹性模量提高了46.18%，最大值荷载提高了65.84%，拉伸位移提高了44.52%。EP/CF/0.5%KH-560-GO复合材料相较未改性复合材料断裂强力提高了41.45%，拉伸强度提高了22.41%，断裂伸长率提高了2.10%。KH-560-GO含量为5%时，CF与EP之间的界面性能最好，改性材料有效改善了EP/CF的力学性能。

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