磁性石墨烯的制备及其在环氧树脂复合材料中的应用

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石墨烯(Graphene)是由经过sp~2杂化的碳原子组成的二维蜂窝状材料,具有良好的光电性能、吸附性、导热性、机械性能及较大的比表面积,在光电产品、能源技术、生物医学及环境保护等领域展现出良好的应用市场。近年来,为了提高石墨烯材料的适用性,越来越多的研究将石墨烯与其他纳米材料复合。磁性纳米颗粒(MNPs)兼具磁性和纳米特性,具有量子尺寸效应、生物相容性、生物降解及超顺磁性,可应用于生物医学、固相萃取、化学催化、磁流体开关、数据储存及污染物处理等方面。将磁性纳米颗粒负载到石墨烯表面,能弥补两种材料的缺点,同时改善材料性能,为石墨烯的应用研发提供新的方向。本文主要通过溶剂热法合成了磁改性石墨烯纳米复合材料rGO@Fe3O4,之后将rGO@Fe3O4掺杂到环氧树脂基材中,研究rGO@Fe3O4在磁场作用下的排列方式对复合材料性能的影响。以氧化石墨烯(GO)和六水和三氯化铁作原料,利用溶剂热法合成了rGO@Fe3O4复合材料。通过改变合成条件,包括GO与FeCl3·6H2O的质量比、溶剂热反应的时间和温度,合成了具有不同粒径分布的rGO@Fe3O4纳米复合材料,实现了对磁化强度的调控。用SEM、AFM、XPS、FT-IR、Raman、XRD等测试方法对rGO@Fe3O4的形貌结构及性能进行表征,结果说明:随着加入Fe3+的量增大,产物的粒径变大,复合材料的饱和磁化强度增大;反应时间的延长、反应釜内温度的升高,可以导致磁性粒子的平均粒径变大,产物饱和磁化强度有所提升,但当超过12h、200℃后,产物变化并不明显,表明产物在这种条件下已形成稳定状态。以上说明可以通过调节反应条件对复合材料的磁性能、微观结构和形貌进行调控。将rGO@Fe3O4与环氧树脂共混,采用磁场诱导的方法使rGO@Fe3O4定向排列在环氧树脂中,研究了rGO@Fe3O4的加入量及其在树脂中的排列方式对复合材料各种性能的影响。通过FT-IR、热重分析仪、激光导热仪、冲击实验机及电化学工作站对混合材料的性能进行表征,结果显示,rGO@Fe3O4的加入使复合材料的导热性能、耐冲击性及耐腐蚀性都有不同程度的提升,且磁场诱导取向分布后,复合材料的性能存在各向异性,例如,固化的环氧树脂复合物在平行和垂直于固化磁场方向上,导热系数分别为0.449 W·m-1·K-1和0.274W·m-1·K-1。
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