2018年第1期 玻璃钢/复合材料 89 氧化石墨烯改性热固性酚醛树脂的热性能研究 孙赕 ,一,涂晨辰 ,谈娟娟1,2,高红成 (1.特种纤维复合材料国家重点实验室,北京 102101;2.北京玻钢院复合材料有限公司,北京 102101) 摘要:采用原住聚合法和溶液共混法制备氧化石墨烯(GO)改性热固性酚醛树脂,分析GO的加入量和加入方式对酚醛 树脂热性能的影响。在原位聚合法制备的改性树脂中,G0的引入使酚醛树脂的 略有下降,随着GO加入量的增加,树脂的 残碳率和第一阶段的热分解温度先升高后降低;相比于原位聚合法,溶液共混法制备的改性树脂中,树脂的耐热性更佳,GO的 分散尺度更小。 关键词:氧化石墨烯;酚醛树脂;热解性能;形貌 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2018)01-0089—05 1 引 言 自零维的富勒烯_l 和一维的碳纳米管『2 分别 良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能、耐烧蚀性能、 阻燃性能、电气绝缘性能等,被广泛应用于交通运 输、建筑、军事、采矿、电气等行业,尤其是在近半个 多世纪中.一直作为防热耐烧蚀材料的通用基体树 于1985年和1991年被人们发现以来,二维的石墨 烯作为一种新型的纳米碳材料,在2004年由英国科 学家Andrew Geim和Konstantin Novoselov利用胶带 脂[11-13]。目前随着空间技术的发展,传统的未改性 的酚醛树脂在力学性能、耐热性等方面逐渐不能满 足现代工业的需求,因此对酚醛树脂的改性势在 必行。 微机械剥离高定向热解石墨法制备得到_3]。石墨烯 的发现.使碳材料家族形成了从零维的富勒烯、一维 的CNTs、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完 整体系。 石墨烯是目前所发现的最薄的二维材料。它是 由碳原子以sp 杂化连接的单原子层构成的,其基本 本文的工作是基于氨水作为催化剂制备酚醛树 脂的成熟的合成工艺路线,通过原位聚合法和物理 共混法制备氧化石墨烯改性酚醛树脂,重在探讨两 个方面的研究内容:其一,在原位聚合法中,分析GO 结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环。理论厚 度仅为0.34 nm ]。石墨烯具有超大的比表面积、 的加入量对树脂性能的影响;其二,对比GO以原位 聚合法和物理共混法两种引入方式对酚醛树脂性能 的影响 优异的机械性能、很高的热导率,然而由于其自身既 不亲水也不亲油,反应活性不高,极易发生团聚,难 以在聚合物中达到良好的分散。氧化石墨烯(GO) 是在制备石墨烯过程中产生的一种重要的衍生物, 2实验 其层间和表面含有大量的羟基、羧基、环氧基等活性 含氧官能团,具有高比表面能、良好的亲水性,在水 2.1原材料 苯酚,工业一级品,参照标准GB/T 339—2o01, 中国石化化工销售公司;甲醛水溶液,浓度为37%, 工业一级品.参照标准GB/T 9009--1998,天津沽上 石化有限公司;氨水,分析纯,北京益利精细化学品 有限公司;酒精,食用级,北京万醇兴业经贸有限公 和大多数极性有机溶剂中具有很好的分散稳定性, 与聚合物具有很好的相容性_7]。近几年,GO增强 改性热塑性高分子材料或热固性树脂的研究报道很 多.改性的有机聚合物体系有聚丙烯(PP)Is]、聚甲 基丙烯酸甲酯(PMMA)[9 3、环氧树脂(EP) lo]等。 酚醛树脂作为三大热固性合成树脂之一,具有 收稿日期:2017一O8—08 司;高活性氧化石墨烯(GO),浓度≥98.5%,中国科 学院山西煤炭化学研究所。 本文作者还有田谋锋‘, 。 作者简介:孙赕(1989一),男,工程师,主要从事耐烧蚀酚醛树脂方面的研究。 通讯作者:田谋锋(1980一),男,博士,高级工程师,主要从事复合材料基体方面的研究,tianmoufeng@163.com。 氧化石墨烯改性热固性酚醛树脂的热性能研究 2018年1月 2.2氧化石墨烯改性酚醛树脂的制备 (1)原位聚合法 在装有机械搅拌、冷凝管、温度计的3 L四口烧 瓶中加入称量的熔融苯酚、甲醛水溶液,氧化石墨 烯,通过机械搅拌混合均匀后,超声1 h,再加入氨水 搅拌混匀。然后通过水浴缓慢加热,反应开始,约在 2 h内升至95℃左右后.保温约1 h,立即冷却,进入 脱水阶段。脱水反应进行至反应物料的凝胶时间达 到100 S一120 s/(150 ̄1)℃时,停止脱水。立即往 反应瓶中加入酒精,溶解树脂,待树脂充分溶解后, 冷却至40℃以下放料保存。 GO的加入量分别为苯酚加入量的0.0%、0.1%、 0.3%、0.5%(按质量计),对应树脂样品标记为PFO、 PF1、PF3、PF5。 (2)物理共混法 在酚醛树脂的酒精溶液中(同上述PF0树脂) 加入按苯酚量计算的0.3%的GO,机械搅拌均匀后, 超声分散1 h,保存备用。该树脂标记为PF3.2。 2.3仪器与测试 红外光谱分析(FTIR):日本岛津的IR Prestige. 2l型红外光谱仪,分辨率为4 cm~,波数范围为400 em~ 4000 om~,通过溴化钾(KBr)粉末压片成型 的方法制样。 拉曼光谱分析(Raman):采用SPEX 1403型拉 曼光谱仪,激光光源为532 nm,功率为50 mW。 差示扫描量热分析(DSC):采用美国TA公司 的Q2OO型差示扫描量热仪,分析树脂的固化过程, 升温速率为lO ̄C/min。在氮气气氛中进行.氮气流 量为50 mL/min。测试前采用光谱纯铟对仪器进行 热量和温度的校正。 热失重分析(TGA):采用日本岛津的DTG.60H 型热失重分析仪,在氮气气氛中以10 ̄C/min的升 温速率升至800℃,氮气流量为35 mL/min。 3结果与讨论 3.1 GO的加入量对酚醛树脂性能的影响 3.1.1 FTIR分析 图1给出了GO的加入量分别为苯酚加入量的 0.0%和0.5%两个树脂样品(PF0和PF5)的FFIR 谱图。分析PFO的特征吸收峰,756 cm 处和827 om 处对应的是取代苯环指纹区的特征峰,前者是 羟甲基的邻位取代,后者是羟甲基的对位取代。997 cm 处是羟甲基的C—O伸缩振动峰,1105 cm 处是 酚环和羟甲基连接的C—C伸缩振动峰,1232 em 处 对应的是酚上的C—O伸缩振动峰。1595 cm 左右处 是苯环骨架特有的伸缩振动峰,以上的特征吸收峰 完全符合酚醛树脂的结构特征。对比PF5和PFO 的吸收谱图可知,PF5中并未出现GO的特征吸收 峰,两个样品的吸收峰基本完全一致。究其原因为: PF5样品中GO的含量为原料苯酚投料量的0.5%, 按合成树脂的产率估算,GO的含量约为树脂量的 0.25%,其含量极低,因此在FTIR谱图上检测不出, 同时也表明引入极少量的GO并未与酚醛树脂发生 除氢键以外的化学反应。 4000 3500 3000 2500 2000 1500 100 500 Wavenumber/cm’ 图1纯酚醛树脂及GO改性酚醛树脂的FTIR谱图 Fig.1 The FTIR spectrums zf GO modi ̄ed phe ̄lic resin and the pure phenlic r ̄sin 3.1.2 DSC分析 本文所制备的改性酚醛树脂是以酒精溶液储存 的.由于树脂中酒精含量高,不适宜做DSC分析,因 此在制备树脂过程中进行至脱水后加酒精前的时机 抽取少量的树脂样品以供DSC分析所用。四个样 品的DSC分析曲线示于图2中。分析的特征温度值 列于表1中。以氨水催化的酚醛树脂在固化时产生 缩合水等小分子,因此,在图2中的DSC曲线上,约 在130 oC一150℃区间存在小分子挥发的吸热峰。对 比表1中的数据可知。低含量GO的引入对树脂固 化的峰值温度 基本无影响,而树脂的玻璃化转变 温度 略有降低,下降了约4℃,表明GO的引入对 酚醛树脂的链段运动产生了影响。由于GO的导热 率极高,将其引入树脂体系中,使树脂中的链段对热 响应更为敏感,从而使树脂的链段在较低的温度下 开始运动.表现为 下降 1 。 2018年第1期 玻璃钢/复合材料 91 图2 GO改性酚醛树脂的DSC曲线 Fig.2 The DSC eul'ves of GO modiifed phenlic resins 表1 GO改性酚醛树脂的DSC分析结果 Table 1 The DSC results of GO modiifed phenlic resins ,u0 售 2曲% 3.1.3 TGA分析 热固性酚醛树脂作为防热耐烧蚀材料的通用基 体树脂,其固化后的热失重分析对评价其耐烧蚀性 能具有重要的参考意义。本项实验中制备酚醛树脂 的固化方式为:将树脂置于鼓风干燥箱中,120℃保 温2 h,150 oC保温2 h。170 oC保温1 h。固化后的酚 醛树脂在粉碎机中粉碎后过筛备用。图3给出了 GO加入量不同的酚醛树脂的热失重分析结果(TGA 图)和一级微商结果(DTG图),分析的具体数值列 于表2中。纯酚醛树脂(也即PF0树脂)的失重过 程分为三个阶段:在300 oC前的热失重一般认为是 树脂内部的自由水、游离酚和醛等的脱除以及树脂 的进一步交联固化释放出缩合水:300 oC~450 oC温 度区间的失重主要是酚羟基、亚甲基及二苯醚等基 团的热降解;在450℃之后发生显著的失重,这一阶 段是进一步的热分解和炭化,释放出水、二氧化碳、 酚及苯类等小分子物质。从表2中可知。纯酚醛树 脂PF0的残碳率为62.7%,第一最大热分解速率对 应的温度 为130 oC,引入0.1%的GO后,PF1的残 碳率为66.3%,Tp 为260℃,残碳率提高了3.6%, 提高了130 0【=,两者的提高幅度显著,这是由于 GO在树脂基体中起到物理阻隔作用,减慢了热降解 产物的扩散[1 。当逐渐增加GO的量后,残碳率呈 下降趋势, 也略有降低,可能原因是GO含量较高 时,其在树脂基体中的分散不均匀,使树脂材料中存 在一些缺陷。而GO的引入对Tp 、Tp,的影响很小, 原因为当温度高于350 oC后。GO对PF的吸附作用 不足以阻止PF在高温下的热分解,因此, :和 , 基本不受GO的影响 。以上分析表明,GO的加 人对改善酚醛树脂的热稳定性有一定的帮助。 l1骞暑.摹/s∞0ls∞对g 0 u 曙 图3 GO改性酚醛树脂的TGA图(a)和DTG图(b) Fig.3 The TGA and DTG culTes of GO modiifed phenlic resins 表2 GO改性酚醛树脂的TGA分析结果 Table 2 The TGA results of GO modiifed phenlie Yesins 800℃第一最大热分解第二最大热分解第三最大热分解 喜 速率对应的激速率对应…速率对应的激 Tm/%Te2/%Tp2/%3.1.4 Raman分析 图4为GO改性酚醛树脂在拉曼光谱下的光学 影像图。图4中的黑色粒子即GO,随着GO加入量 的增加,黑色粒子的分散尺度增大、分布增多,且分 散尺度为微米级,并没有达到纳米级,表明即使通过 原位聚合法,GO在酚醛树脂的酒精溶液中也易产生 团聚 92 氧化石墨烯改性热固性酚醛树脂的热性能研究 表3( 0加入方式不同的酚醛树脂的热分解结果 _ 拌口I ahlP 3 TllP T( A resu]ts ot ptlenli(‘resins with diferent ( O addition metluMs ∞ 啪 :l ∞ 800 : 第一最大热分解第二最大热分解第i最大热分婀 残碳串 逃率州应的温度速率对应的温度速率埘应的温度 4( ()加入 I州的断醛树脂 拉曼光谱光学影像 Fig.4 l'heoptical D hI)tos ot Ralllall Sl'P(。t rilli1 tb,’I)l 1lljt resins with dit l℃l11 GO addjtion zl1))()tlllt 3.2 GO的加入方式对酚醛树脂性能的影响 『警1 5给…了分别通过原位聚合干¨溶液 混两种 方式制备GO改性酚醛树脂(PF3和PF3—2)的热火 重分析结果(TGA )和一级微商结果(D3 G图),分 析的具体数值列于表3中 从热失重ff}I线来有,PF、3 币¨PF3—2的热分解过程基本一致.表明在酚醛树脂 中尤沦是通过原位聚合还是溶液 混的方式,都能 明 提高树脂的残碳率和延缓第一阶段的分解 对 比表3巾的数据,PF3—2的残碳率和7TI.I都略高于 PF3,残碳率约高m l%, 高Ⅲ5℃ 这可能是因 为GO的加入方式不同导致GO存树脂体系中的分 散尺度有差别 0 1o0 2o¨3(x】400 500 600 7(X)8IX) J'elllpelalulc( I 5 GO旬l】入方式不同的盼隘树脂 TGA罔(a)干“DTG l (1)) Fig.5 The T( A and I)3 G‘·u r、 Ps of phenli( resil1sⅦifI1 dilfbrenl GO utdition metho(ts FRP/CM 2018.No.1 /% / :Tp:/ : 7 1.:/ : Ia.l 6为PF3和PF3—2的拉曼光谱的光学影像 罔 从图6 I11明显可以看ffI,PF3—2树脂体系巾GO 的分散粒子/J、而衔.而PF3树脂体系中GO的分敞 粒子J 发较大,分布较稀疏 可见,溶液混合法更有 利于GO在树脂体系巾的分散。冈为PF的酒精溶 液可看作均质体系,而且卡占度较低,GO通过溶液共 混引入该树脂体系巾易于分散 1采川原位聚合法 时.虽然在投料之初,反应为均相体系,但是随着反 应的进行,苯酚的羟甲基取代物以及二聚体、 聚体 等逐渐增多,水已不再是良溶剂,反应体系逐渐浑 浊,GO夹杂在生成的低聚物叶1,极易再次【才J聚;在后 期脱水过程中,随着水的脱除,物料体系逐渐粘稠, 这一过程巾GO也易发牛团聚 6 GO JJ『1人厅式不I州的酚醛扣叶脂 托曼光谱光学影像罔 Fig.6 FI1t optical phot( ot Ranlall spe('tl'unl i lr phenlic resins witl1 diffi+relI1 G0 a(Idition metlIOdS 结合 3和 4以及罔5和 6可知,GO改性 I F树脂的热分解性能与GO在树脂体系中的分散 状态有着密切的联系~GO在树脂体系中fl'0,分散尺 度越小.分散得越均匀,越有利于提高PF的残碳率 以及延缓第一阶段的分解. 4 结 论 小文匝点探讨了氧化石罢烯改性热固性酚醛树 脂的热性能以及分析氧化石墨烯在树脂体系中的分 敞形貌 (1)采用原位聚合法制备(:0改性酚醛树脂, GO的引入对酚醛树脂的结构和同化性能基本未产 2018年第1期 玻璃钢/复合材料 [J].材料导报,2012,26(1):6l一65. 93 生影响,然而对固化树脂的热分解性能影响较大;引 入苯酚投料量的0.1%的GO,使树脂的残碳率和71P 分别增加了3.6%、130℃。但是随着GO加入量的增 [7]Guoxiu Wang,Juan Yang,Jinsoo Park,et a1.Facile synthesis and characterization of craphenenanosheets[J].Journal of Physical Chemistry C,2008,1 12:8192—8195. 加,残碳率和 都逐渐降低,这与GO在树脂体系 中的分散尺度有关系: (2)在GO的加入量一致的情况下,与原位聚合 法相比.采用溶液共混法更有利于GO在树脂体系 中的分散,并且固化树脂的残碳率约高出1%, 高 出5 cC。经综合分析可推测,GO在树脂体系中的分 散尺度越小,越有利于树脂耐热性的提高。 参考文献 [1]KrotoHW,Heath JR,0 BrienSC,eta1.C60:Buckminsterftdlerene [J].Nature,1985,318:162 163. 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[6]李兴鳌,王博琳,刘忠儒.石墨烯的制备、表征与特性研究进展 STUDY oN THERMAL PROPERTIES oF GRAPHENE oXIDE MODIFIED THERMOSETTD G PHENoLIC RESIN SUN Yi ,TU Chen—cheng ,TAN Juan-juan 一,GAO Hong-cheng ' (1.State Key Laboratory of Advanced Fiber Composites,Beijing 102101,China; 2.Beijing Composite Materials Co.,Ltd.,Beijing 102101,China) Abstract:In this paper,the thermosetting phenolic resin modiifed by graphene oxide(GO)was prepared by in situ polymerization and solution blending.The influence of the addition content of GO and the adding way on the thermal properties of phenolic resin was analyzed.For the modiifed resin prepared by in situ polymerization,the decreased slightly with the addition of GO.Besides,the residual carbon rate and the thermal decomposition tempera— ture of the first stage increased firstly and then decreased.Compared with the resin prepared by in situ polymeriza— tion,the resin prepared by solution blending had a better heat resistance and a narrower GO dispersion scale. Key words:graphene oxide;phenolic resin;pyrolysis property;morphology