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石墨烯增强氰酸酯树脂材料制备及导热导电分析论文

13 人参与 2024-11-20 10:03:45 分类 : 理学点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/

　　摘要：为了提高氰酸酯树脂的导热和导电和性能，采用石墨烯（GNPs）对氰酸酯树（CE）脂进行增强。研究不同石墨烯含量添加量下氰酸酯树脂材料导热导电性能。研究结果表明：随着GNPs加入量提高，试样导热系数随之增大。当添加量为10%时试样导热系数达到0.318 W/（m·K）。随着GNPs加入量提高后，导电性能迅速增强。GNPs添加量为10%时试样电导率0.92×10-3 S/m，比纯氰酸酯的导电性提高了多个数量级。该研究有助于提高氰酸酯树脂材料的基础性能，为后续应用到电子领域起到一定的理论支撑。

　　关键词：石墨烯；氰酸酯；热导率；电导率

　　0引言

　　随着我国航天科技的快速发展，对于优良综合性能的新型功能性材料也提出了更高的要求。为提高装备运行参数检测的准确性并保证操作可靠性，需要采用更小膨胀系数的材料[1-3]。此外，还可以通过具有高热导率的碳纤维复合结构将热量传递至低温区，从而使其运行于更适宜的工作环境中，表现出来优异的性能[3-4]。

　　石墨烯具有高机械性能、良好导热性与高电导率等优异综合性能，因此有望成为一种新型高分子增强相[5]。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。目前，国内外已经有很多研究人员针对石墨烯与改性材料进行了大量实验测试。李延春等[6]制备了环氧树脂/石墨烯复合材料，并研究石墨烯含量对材料力学性能及组织的影响，添加石墨烯使复合材料的电导率和电磁屏蔽效率显著提高。李爽等[7]在石墨烯表面负载纳米二氧化硅对石墨烯进改性，加入石墨烯提高水性环氧树脂涂层的防腐性能和物理性能，石墨烯表面沉积二氧化硅可以屏蔽掉石墨烯的导电性，抑制其腐蚀促进活性。

　　但对石墨烯改性氰酸酯树脂的研究不多，唐多昌等[8]采用石墨烯（GNPs）改性氰酸酯树脂，表明：树脂黏度和电导率随GNPs用量的增加快速增大，试样的拉伸强度与断裂伸长率均显著降低，形成了更粗糙的形貌。本文在前人研究的基础上，选择航空领域应用最普遍的氰酸酯树脂为研究材料，综合研究了纳米金掺杂量对其热导率、电导率和热膨胀系数的影响规律。

　　1试验部分

　　1.1原材料

　　本试验所需原料有：双酚A型氰酸酯、CYD128型环氧树脂、KNG-G5石墨烯（GNPs）。

　　1.2试样制备

　　按照质量比为3∶1的条件称取氰酸酯和环氧树脂，将两者混合后再升温到95℃,之后持续搅拌直至氰酸酯完成溶解，之后继续加入环氧树脂并升温到150℃,同时加入催化剂实现预聚，接着降温到90℃的时候，再通过真空法将上述气泡和各种小分子杂质全部排出，并将以上产品冷却至常温状态，由此获得一种黄色液态产物，从而制备得到氰酸酯树脂预聚物。

　　先将氰酸盐预聚物的温度升高至105℃,充分除去固化晶体组分，大幅降低树脂黏度。根据以上条件，控制纳GNPs添加量为5%、10%、15%、20%的条件下，再对纳米金颗粒快速搅拌，制备得到纳米金颗粒复合结构。GNPs的微观组织如图1所示。由图1可以看到，KNG-G5属于一种密度介于0.15～0.20 g/mL，外直径3～6μm，厚度大于5 nm的单层石墨烯薄膜。微观组织可以看到GNPs表现出来很高的分散状态，而且分布均匀。当添加进氰酸酯材料里面后整体表现出来较高的致密度，可见其充分混入进氰酸酯内，成形质量较高。最终利用SM65型三辊粉碎机进行球磨加工后获得多种功能化的氰酸酯基母料。

　　将以上制备得到的原料加入高速搅拌机中再稀释，搅拌温度110℃,然后利用不锈钢模具对其进行成型获得试样。按照预先设定程序进行树脂固化和成形，其主要技术参数是先在180℃下保温2 h，然后将其加热至220℃持续保温2.5 h，在此过程中将其按照以上过程硬化处理，然后用自然冷却方式降温，由此获得常温试样。

　　2结果分析

　　2.1热导率

　　根据图2可以发现不同比例石墨烯后热导率变化结果，随着GNPs的加入量提高，试样导热系数也随之增大。当GNPs添加量在10%以内时，试样导热系数发生了显著提高。当添加量为10%时，试样导热系数达到0.318 W/（m·K）。当GNPs含量为20%时，试样导热系数达到0.336 W/（m·K）。从上述实验测试数据中可以看出，当GNPs用量从10%增加到20%时，试样导热系数并没有迅速增大。这主要是因为随着石墨烯的加入，氰酸盐的黏度增大，使得石墨烯难以在氰酸酯中形成均匀分布状态，从而导致导热系数的升高现象。

　　2.2电导率

　　石墨烯增强氰酸酯树脂材料的电导率变化结果如图3所示。随着GNPs添加量提高，导电性能迅速增强。将产生更多的导电通道，直至最终形成充足导电通道。当GNPs添加量为10%时，试样电导率为0.92×10-3 S/m，比纯的氰酸酯的导电性提高了多个数量级。当GNPs添加量增加至20%时，试样导电率可达7.12×10-2 S/m。结果是，GNPs的加入对试样的电导率和热导率产生了相近的影响，其中，GNPs比例提高后，试样电导率发生迅速上升，当GNPs比例增加到10%以上时，其导电性能也进入逐渐上升的阶段。

　　3讨论

　　纯氰酸酯进入了一个稳定的黏性区间，可将其视为牛顿流体，随着剪切速度大于1 mm/s以上时，体系黏度维持基本不变的状态。由于GNPs颗粒具有很大比表面积，从而在增加该成分比例后，导致具有自由活性基团的氰酸根数目减少，使石墨烯之间距离明显缩小。此时，石墨烯与氰酸根之间存在较强的相互作用，试样黏性增加主要是因为系统具有较高的储能模量。

　　因此，加入石墨烯后，随着剪切速度的提高，体系黏度降低并出现了明显稀化的现象，形成了一种类似于非牛顿流体的液体。

　　4结论

　　本文开展石墨烯增强氰酸酯树脂材料制备及其性能表征分析，取得如下有益结果：

　　1）随着GNPs加入量提高，试样导热系数随之增大。当添加量为10%时试样导热系数达到0.318 W/（m·K）。

　　2）随着GNPs加入量提高后，导电性能迅速增强。GNPs添加量10%时试样电导率0.92×10-3 S/m，比纯氰酸酯的导电性提高了多个数量级。

　　参考文献

　　[1]陈晓康，王秀玲，宁培森，等.石墨烯/热固性树脂复合材料的研究进展[J].热固性树脂，2018，33（1）：61-69.

　　[2]陈毓焘，李文晓，金世奇.降低氰酸酯树脂热膨胀系数的研究进展[J].塑料工业，2017，45（5）：6-10.

　　[3]李文华，李文晓，梁勇.二维纳米材料改性氰酸酯树脂研究进展[J].工程塑料应用，2023，51（1）：133-138.

　　[4]狄莹莹，石艳飞，任鹏刚.石墨烯-羰基铁/氰酸酯复合材料的制备及电磁屏蔽性能[J].高分子材料科学与工程，2019，35（6）：111-116.

　　[5]高锋，白刚，肖伟，等.石墨烯微片/氰酸酯多功能树脂基体研究[J].玻璃钢/复合材料，2019（5）：83-88.

　　[6]李延春，赵淼，姚珊珊，等.环氧树脂/石墨烯复合材料的制备及其性能[J].合成树脂及塑料，2024，41（1）：8-11.

　　[7]李爽，王良旺，朱建康，等.二氧化硅/石墨烯水性环氧树脂复合涂层的制备及防腐性能研究[J].现代化工，2024，44（2）：211-216.

　　[8]唐多昌.石墨烯增强氰酸酯树脂复合材料的性能研究[J].热固性树脂，2019，34（6）：61-64.

　　[9]赵臻璐，刘洪新，张鑫，等.国产M40J级石墨纤维与氰酸酯树脂的界面性能[J].材料导报，2022，36（17）：209-213.

　　[10]熊华锟，袁国青，杨家勇，等.石英纤维/氰酸酯树脂复合材料胶接面的激光处理研究[J].复合材料科学与工程，2022（4）：81-86.

　　[11]叶清，袁荞龙，黄发荣.含硅芳炔树脂改性氰酸酯树脂的性能[J].宇航材料工艺，2021，51（2）：56-61.

　　[12]李青，车永星，赵靖，等.石英纤维增强氰酸酯树脂选频透波性能研究[J].复合材料科学与工程，2020（12）：115-120.

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