氧化石墨烯改性粉末丁腈橡胶-环氧树脂复合材料的研究

2021-03-12刘全中王鑫杨玉坤郄旭东张晓斌赵雄燕

应用化工 2021年2期

刘全中，王鑫，杨玉坤，郄旭东，张晓斌，赵雄燕,3

(1.河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.石家庄贝克密封科技股份有限公司，河北石家庄 050000；3.航空轻质复合材料与加工技术河北省工程实验室，河北石家庄 050018)

环氧树脂(EP)因其具有优异的机械强度、黏结性及良好的稳定性[1-2]，被广泛应用于航空航天、船舶等领域。然而，单一组分的环氧树脂体系存在抗裂性和耐冲击性差等诸多缺点[3-4]，往往需要通过多重改性来提高其综合性能[5]。石墨烯作为一种高性能新型材料在材料改性领域有着巨大的应用潜能[6-9]。研究发现，与传统的改性剂相比，石墨烯可以在较低添加量的条件下，使材料的综合性能有较大幅度的提升，是近年复合材料改性领域研究的热点[10-12]。

目前采用单一橡胶组分改善环氧树脂性能的研究报道较多，而有关石墨烯和橡胶微球协同改善环氧树脂性能的研究却较少报道。本文通过在粉末丁腈橡胶/环氧树脂复合材料中添加氧化石墨烯制备了三元复合材料体系，以提高环氧树脂的综合性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

氧化石墨烯，实验室自制；超细全硫化粉末丁腈橡胶-环氧树脂复合材料(VP501-EP)、酸酐类固化剂1316均为工业品。

SMT-3002I悬臂冲击实验机；ETM-104C型微机控制电子万能实验机；S-4800-1型扫描电子显微镜。

1.2 实验方法

1.2.1 氧化石墨烯改性粉末丁腈橡胶-环氧树脂复合材料(GO-VP501-EP)的制备称取一定量的氧化石墨烯与超细全硫化粉末丁腈橡胶-环氧树脂复合材料放入三辊研磨机进行研磨3次，直至肉眼看似均匀，然后浸润48 h，再上三辊研磨机进行进一步研磨3次，再浸润12 h，加入1316固化剂混合均匀，放入90 ℃真空烘箱中去除气泡，最后将预聚体浇铸在玻璃模具中固化成型。

1.2.2 性能检测按国家标准GB/T 1843—2008、GB/T 9341—2008、GB/T1634.2—2004对复合材料的冲击性能、弯曲性能、热变形温度等进行性能检测。

2 结果与讨论

2.1 氧化石墨烯对GO-VP501-EP复合材料热变形温度的影响

图1为不同氧化石墨烯(GO)添加量下GO-VP501-EP复合材料热变形温度的变化趋势。

图1 GO用量对复合材料热变形温度的影响Fig.1 Effect of GO content on heat distortion temperature of composite

由图1可知，在复合材料VP501-EP中加入氧化石墨烯后，复合材料的热变形温度有所提高，但氧化石墨烯用量超过0.7%后，热变形温度的变化趋于平缓。

2.2 氧化石墨烯对GO-VP501-EP复合材料无缺口冲击强度的影响

由图2可知，随着氧化石墨烯填充量的增加，无缺口冲击强度呈现一种先增加后降低的变化趋势，且在氧化石墨烯填充量为0.3%时，冲击强度达到最大值16.52 kJ/m2。无缺口冲击强度呈现上述变化的原因是由于氧化石墨烯表面的功能基团能与超细全硫化丁腈橡胶粒子表面的羧基发生氢键缔合作用，使丁腈橡胶粒子均匀穿插镶嵌在氧化石墨烯薄片上形成具有插层结构的增韧复合体，从而很好地发挥二者的协同增韧效应，使复合材料的无缺口冲击强度增加；而当氧化石墨烯用量较大时，氧化石墨烯本身会发生团聚，无法形成理想的增韧复合体，从而导致无缺口冲击强度降低。

图2 GO用量对复合材料无缺口冲击强度的影响Fig.2 Effect of GO content on notchless impact strength of composite

2.3 氧化石墨烯对GO-VP501-EP复合材料弯曲性能的影响

图3给出了氧化石墨烯不同用量对GO-VP501-EP复合材料弯曲性能的影响。

图3 GO用量对复合材料弯曲强度的影响Fig.3 Effect of GO content on bending strength of composite

由图3可知，随着氧化石墨烯用量的增加，弯曲强度呈现先增后减的变化趋势，在GO用量为0.3%时，GO-VP501-EP复合材料的弯曲强度达到最大值146.62 MPa。这主要是由于在GO用量为0.3%时，全硫化丁腈橡胶粒子可均匀穿插镶嵌在氧化石墨烯薄片上形成理想的插层结构，最大限度地发挥石墨烯和丁腈橡胶粒子的协同增强效应，从而使复合材料的抗弯曲性能得到较大幅度的提高。

2.4 氧化石墨烯对GO-VP501-EP复合材料硬度的影响

图4为GO不同用量对GO-VP501-EP复合材料硬度的影响。

由图4实验结果不难发现，GO用量的改变对GO-VP501-EP复合材料硬度的影响不明显。

图4 GO用量对复合材料硬度的影响Fig.4 Effect of GO content on the hardness of composite

2.5 GO-VP501-EP复合材料的结构分析

采用扫描电子显微镜(SEM)对氧化石墨烯含量为0.3%的样品GO-VP501-EP(0.3%)的结构进行了表征和分析，结果见图5。

图5 GO-VP501-EP(0.3%)的扫描电子显微镜图Fig.5 SEM images of GO-VP501-EP(0.3%) with magnificationa.放大5 000倍；b.放大100 000倍

由图5a不难看出，经三辊研磨机的强剪切混合后，全硫化丁腈橡胶粒子与氧化石墨烯薄片间形成了很好的插层结构。由图5b的局部放大图可清楚看到，在氧化石墨烯薄片上均匀镶嵌了大量的粒径约50100 nm的全硫化丁腈橡胶粒子，这些增韧(强)复合体的形成为复合材料性能的提升奠定了基础。上述结果与机械性能测试结果相吻合。