[发明专利]基于二维纳米填料磁致取向的高阻隔复合材料及制备方法

说明书

技术领域：

本发明属树脂复合材料制备领域，特别涉及一种负载一维磁性纳米棒的二维纳米填料，将其加入环氧树脂体系，利用磁场使其取向，以制备高阻隔复合材料。

背景技术：

树脂基复合材料因其具有力学性能优良、耐腐蚀、易加工等优点，已经在航空航天、绿色能源、交通运输等许多领域得到广泛应用。近年来，树脂基复合材料被越来越广泛地用于制备各类型的压力容器，以满足气体和液体物质的分离、储存和运输等应用需求，这对复合材料的阻隔性能提出了更高的要求。然而，由于树脂基体的交联度高导致其结晶性差，分子链间距大，因此气体小分子(如H₂)可在树脂中渗透扩散，导致材料的阻隔性能下降。研究表明，气体小分子可穿透树脂，但不可穿透蒙脱土、石墨烯、氧化石墨烯等二维纳米填料，只能环绕通过。因此在树脂基体中加入蒙脱土、石墨烯、氧化石墨烯等二维纳米填料，可以延长小分子的渗透路径从而减慢小分子的渗透扩散，是提高树脂基体阻隔性能的一条有效途径。而二维纳米填料在树脂基体中的分布状态对其阻隔性能的发挥率有直接影响。若二维纳米填料在树脂基体中无规分布，则只有片层方向与小分子渗透路径垂直或有一定夹角的填料发挥阻隔作用，片层沿小分子渗透路径排列的填料则几乎不发挥阻隔作用，所以无规分布的二维纳米填料对树脂基复合材料阻隔性能的提高效果很有限。大量研究发现，使二维纳米填料沿垂直于小分子渗透路径方向取向分布是提高二维片状纳米填料阻隔效率的有效手段，可制备高阻隔复合材料。

目前，实现二维纳米填料取向的常用方法有力场诱导取向、电场诱导取向和磁场诱导取向等。其中磁场诱导取向是一种非接触式取向方法，已被广泛使用，其显著优点是不影响树脂固化体系，且磁场强度大小和方向能随意进行调整，适用范围广，同时纳米粒子的取向分布易于实现。Wu Linlin(ACS nano,2014,NO.5,4640–4649.)施加强磁场使氧化石墨烯片层平行于磁场取向，利用聚丙烯酰胺使取向结构保持，在未对氧化石墨烯进行改性的情况下实现了取向排列。但由于氧化石墨烯本身磁响应性较弱，故该方法实现取向排列所需磁场强度高达10T，这对设备要求较高且增加了取向度调控的难度，不利于大规模制备氧化石墨烯取向复合材料。J.Renteria(Materials and Design,2015,88,214–221.)在石墨烯表面分别吸附带有负电荷和正电荷的可电离聚合物分子，然后采用共沉淀法在石墨烯表面原位形成Fe₃O₄磁性纳米粒子，在强度为1.2T的磁场下使分散于环氧树脂中的磁改性石墨烯片实现了取向分布。此方法虽然所需磁场强度大大降低，但仍然存在诸多问题：Fe₃O₄磁性纳米粒子与石墨烯片层之间通过正负电荷间的吸引力而结合，界面结合力较弱，Fe₃O₄磁性纳米粒子易脱落，从而大大降低改性石墨烯片的磁响应取向性；改性石墨烯片在树脂中易团聚，与树脂基体的界面结合差。因此，急需开发一种磁性纳米粒子负载量高、磁性纳米粒子与二维纳米填料界面结合力强、在较低磁场强度下具有很高取向度、在树脂中分散性和界面结合优异的磁性二维纳米填料，以期大幅度提高树脂基复合材料的阻隔性能。

发明内容：

本发明属复合材料制备领域，特别涉及一种高阻隔性能复合材料的制备，含有表面负载Fe₃O₄磁性纳米棒的磁改性二维纳米填料，磁改性二维纳米填料均匀分散在树脂基体中，施加磁场使其片层垂直于气体分子扩散路径，由于小分子不能穿透纳米填料，只能环绕通过，由此可延长小分子渗透路径，从而延长渗透时间，减少渗漏，达到增强阻隔的目的。

发明中利用磁场诱导纳米填料取向，先采用化学共沉淀法在二维纳米填料表面接枝Fe₃O₄磁性纳米棒，以提高二维纳米填料磁响应性；再用多巴胺包覆二维纳米填料，使Fe₃O₄磁性纳米棒与二维纳米填料稳定结合，可提高二维纳米填料磁响应性，施加磁场后，二维纳米填料可沿磁场方向排列。

本发明具体技术内容如下：

a、Fe₃O₄磁改性二维纳米填料的制备方法，其特征如下：