磁场诱导石墨烯定向增强环氧树脂的可控制备及气体阻隔性能研究

The aim of the program is to develop a novel nanocomposite with high gas barrier property for linerless composite tanks. It is the key point to align nano fillers to achieve highly ordered for preparation composites with excellent gas barrier properties. Here, we will tether magnetic Fe3O4 nanoparticles onto the surface of graphene by a wet-chemical coprecipitation method. Besides,the modification mechanism of Fe3O4 on graphene will be precisely elaborated. By studying about crystallization temperature, concentration of ferric salt, pH value and stirring speed,the effects of technological parameters on the distribution of Fe3O4 will be discussed. The structures and the magnetic properties of modified graphene with various C-Fe atomic ratios will be compared. The force situation and movement tendency under low magnetic field could be calculated analytically by assuming an ellipsoidal geometry. Therefore, a method based on Boltzmann statistical method is proposed to theoretically predict the minimum magnetic field required, Hmin, considering the the diameters, volume fractions of m-GNPs and the viscosity of the resin matrix. By applying the predicted magnetic field, the controllable preparation of aligned graphene/epoxy composites will be realized. The alignment rate of modified graphene will be great than or equal to 85%,and the Helium permeability will be less than 10-5Pa.cm3/s.

定向排列纳米填充材料，实现取向可控，是制备高气体阻隔性能复合材料的关键。本项目采用湿化学共沉淀法在石墨烯表面原位生成Fe3O4磁性纳米粒子，揭示Fe3O4纳米粒子对石墨烯表面的磁性修饰机理，研究不同晶化温度、铁盐浓度、溶液pH值、搅拌速率等工艺参数对Fe3O4纳米粒子的粒径分布及其在石墨烯表面的覆盖率的影响，探讨不同铁碳比（Fe:C）条件下的表面改性石墨烯的磁性能；采用椭圆壳层模型分析改性石墨烯纳米材料代表性单元在静态磁场下的受力情况和运动过程，揭示磁场条件下改性石墨烯的取向规律，建立外加磁力矩、重力力矩和树脂粘滞力矩间的相互作用关系，采用波尔兹曼统计方法从理论上预测磁力矩、重力矩和粘滞力矩达到平衡时，磁改性石墨烯定向排列所需的最小磁场强度，实现石墨烯定向增强环氧树脂复合材料的可控制备，改性石墨烯的定向排列比例≥85%；氦漏率≤10-5Pa•cm3/s。

针对无内衬复合材料压力容器的气体渗漏问题，提出了一种具有高气体阻隔性能的石墨烯/环氧微结构有序复合材料的制备方法。重点研究了石墨烯表面的磁改性、磁场诱导作用下的有序复合材料可控制备、微结构有序复合材料的渗漏性评价与试验验证等工作。探究了石墨烯的表面磁性修饰机理，成功实现了磁性石墨烯的定向排列与微结构有序复合材料的可控制备，显著提高了碳纤维复合材料的渗漏性能。（1）采用湿化学共沉淀法在石墨烯表面原位生成了Fe3O4磁性纳米粒子，揭示了Fe3O4纳米粒子对石墨烯表面的磁性修饰机理，研究了不同晶化温度、铁盐浓度、溶液pH值、搅拌速率等工艺参数对Fe3O4纳米粒子的粒径分布及其在石墨烯表面的覆盖率的影响；（2）揭示了磁场条件下改性石墨烯的取向规律，建立了外加磁力矩、重力力矩和树脂粘滞力矩间的相互作用关系，采用波尔兹曼统计方法从理论上预测了磁力矩、重力矩和粘滞力矩达到平衡时，磁改性石墨烯定向排列所需的最小磁场强度40mT，实现了石墨烯定向增强环氧树脂复合材料的可控制备；（3）表征评价了石墨烯/环氧复合材料的结构、取向度及抗渗漏性能。氦检漏试验结果表明，1%质量分数的石墨烯/环氧复合材料的氦漏率较纯树脂提高了一个数量级，改性石墨烯的定向排列比例达92%；石墨烯/环氧复合材料的氦漏率为2.32×10-6Pa•cm3/s。本研究成果为无金属内衬复合材料低温贮箱的设计与制备提供了技术支撑。共计发表论文7篇，其中SCI收录6篇，获授权国家发明专利4项，培养研究生3人。课题负责人分别在SAMPE中国2017年会国际学术会议、第21届全国玻璃钢复合材料学术交流会、第三届中国国际复合材料科技大会等学术会议做分会场特邀报告及口头报告。