摘 要

本论文将聚乙烯亚胺（PEI）接枝氧化石墨烯（GO）后，添加到环氧树脂中，用来提高环氧树脂的热稳定性与机械强度。基于这个设计思路，本文利用文献报道的合成手段合成了该聚合物，并通过FTIR、TEM、拉伸测试、XRD以及TG研究了聚乙烯亚胺与氧化石墨烯的接枝和对环氧树脂增强后热稳定性与机械强度的测试。

根据扫描电子显微镜显示，在GO表面接枝PEI之后，GO与环氧基团的相容性得到改善，样品断层表面比较粗糙，有利于内应力的分散，有利于提高材料的力学性能。这在随后的测试结果中得到证实，例如动态机械分析、热机械分析以及热重分析等，这些测试结果表明，PEI-GO的加入不仅可以提高制备得到的环氧复合材料强度，此外，尺寸稳定性和热稳定性也变得更好。

关键词：氧化石墨烯；聚乙烯亚胺；环氧树脂

Enhancement of epoxy resin by functionalized graphene

ABSTRACT

In this paper, polyethyleneimine (PEI) grafted graphene oxide (GO) was added to epoxy resin to improve the thermal stability and mechanical strength of epoxy resin. Based on this design idea, the polymer was synthesized by means of synthesis reported in literature. The grafting of polyethyleneimine with graphene oxide and the test of thermal stability and mechanical strength of epoxy resin reinforced by polyethyleneimine were studied by FTIR, TEM, tensile test, XRD and TG.

According to scanning electron microscopy (SEM), the compatibility of GO with epoxy group was improved after grafting PEI onto GO surface. The surface of the sample was rough, which was conducive to the dispersion of internal stress and the improvement of the mechanical properties of the material. This was confirmed by the following test results, such as dynamic mechanical analysis, thermomechanical analysis and thermogravimetric analysis. These test results show that the addition of PEI-GO can not only improve the strength of the prepared epoxy composites, but also improve the dimensional stability and thermal stability.

Key words: graphene oxide; polyethyleneimine; epoxy resin

目 录

1 绪论 - 1 -

1.1 前言 - 1 -

1.2 石墨烯增强环氧树脂复合材料的发展概况 - 1 -

1.2.1 发展历史 - 1 -

1.2.2 环氧复合材料的制备原料 - 2 -

1.2.2.1 环氧树脂 - 2 -

1.2.2.2 石墨烯 - 2 -

1.2.2.3 固化剂 - 3 -

1.3.4 聚乙烯亚胺 - 3 -

1.3 国内外相关研究 - 3 -

1.3.1 石墨烯增强环氧树脂复合材料的力学性能 - 3 -

1.3.2 石墨烯增强环氧树脂复合材料的热学性能 - 5 -

1.4 改性氧化石墨烯对环氧固化反应的影响 - 5 -

1.5 本课题研究的内容和意义 - 6 -

1.5.1 研究意义及目的 - 6 -

1.5.2 主要研究内容 - 6 -

2 实验部分 - 8 -

2.1 实验原料 - 8 -

2.2 实验仪器 - 8 -

2.3 制备方法 - 8 -

2.3.1 氧化石墨烯的合成 - 8 -

2.3.2 聚乙烯亚胺接枝氧化石墨烯 - 9 -

2.3.3 改性石墨烯/环氧树脂复合材料的合成 - 9 -

2.4 表征与性能测试 - 10 -

2.4.1 傅里叶红外光谱分析(FTIR) - 10 -

2.4.2 X射线衍射分析(XRD) - 10 -

2.4.3 透射电子显微镜分析(TEM) - 10 -

2.4.4 热失重分析(TGA) - 10 -

2.4.5 万能实验分析 - 10 -

2.4.5.1 拉伸测试 - 10 -

2.4.5.2 弯曲测试 - 10 -

3 数据处理与讨论 - 11 -

3.1 物理状态分析 - 11 -

3.2 傅里叶红外光谱分析(FTIR) - 12 -

3.3 X射线衍射分析(XRD) - 13 -

3.4 透射电子显微镜分析(TEM) - 13 -

3.5 热失重分析(TGA) - 14 -

3.6 万能实验分析 - 15 -

总 结 - 17 -

致 谢 - 18 -

参考文献 - 19 -

1 绪论

1.1 前言

环氧树脂是一种热固性聚合物，固化后的环氧树脂，对金属和非金属的材料粘结强度大，有良好的耐化学腐蚀性能，且其硬度高，尺寸稳定性好，而且价格低廉，可广泛应用于航空航天、汽车以及电子器件等众多领域中。但环氧树脂的性能仍存在交联密度高、固化后脆性大等缺点，导致其内应力高、抗疲劳性差、摩擦系数高、断裂韧性低、对微裂纹敏感性低、冲击性能差、阻燃性差等突出问题。为了消除这些问题带来的影响，研究人员尝试在环氧基体中添加一些无机填料，以确定它们是否能够克服这些缺陷并生产出更好性能的环氧复合材料。这些无机填料有粘土clay^[1]、碳纳米管CNTs^[2]、二氧化硅粒子SiO₂^[3]，二氧化钛粒子TiO₂^[4]等等。因此，对环氧树脂进行改性，从而达到提高其热稳定性能和力学性能的目的，制备出优异性能的环氧复合材料，是一个很有用的重要课题。

石墨烯，作为一种新兴的纳米碳材料，受到广泛关注，石墨烯或者其衍生物也尝试被添加到环氧基体中，可制备高性能的环氧复合材料^[5]。并且除了将石墨烯或其经过化学修饰后得到的衍生物单独作为填料之外，研究者们还尝试了制备石墨烯杂化填料，像Al₂O₃-coated GO^[6]、GO-coated SiO₂^[7]、POSS-g-GO^[8]等等，这些杂化填料一般能够实现1 1gt;2的效果。