摘要
随着人类对环境保护意识的加强，性能优异、绿色环保型水性环氧树脂受到越来越广泛的关注。但是环氧树脂基体材料具有脆性大、不耐高温等缺点，其应用受到限制，因而对环氧树脂进行改性研究一直都是该领域的热点问题。氧化石墨烯是碳材料的重要组成部分，具有优异的理化性能，被认为是极具潜力的增强材料。同时，氧化石墨烯在水溶液中的分散性较好，因此，本文选用氧化石墨改性以水为溶剂的水性环氧树脂体系，以提高水性环氧树脂基体材料的力学性能。 本文采用相反转法制备了氧化石墨烯/水性环氧树脂乳液，研究了氧化石墨烯/水性环氧树脂体系的固化动力学，并对制备的复合材料进行热性能测试，确定了氧化石墨烯的最佳添加量，在此基础上，以氧化石墨烯添加量为0.48wt%的水性环氧树脂体系为例，通过宏观动力学模拟研究了工艺温度、升温速率和材料厚度对固化过程的影响，并对工艺进行优化，给出新的固化工艺条件，最后对新工艺进行实验验证。 非等温固化动力学研究结果表明：SB自催化模型可以准确描述氧化石墨烯/水性环氧树脂体系的固化过程。热失重测试和动态热机械测试结果表明：氧化石墨烯/水性环氧树脂复合材料的热分解温度和玻璃化转变温度均随着氧化石墨烯添加量的增大呈现先增加后降低的趋势，添加量为0.36wt%时，材料失重3%和失重5%的温度分别达到389.50℃和406.81℃，与纯水性环氧树脂体系相比，分别提高了31.00℃和25.08℃；添加量为0.48wt%时，氧化石墨烯/水性环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度达到143.77℃，与纯水性环氧树脂体系相比，玻璃化转变温度提高了约9℃。 宏观动力学研究结果表明：工艺温度越高、升温速率越大，材料越厚，材料内部产生的热冲击效应越明显；在热冲击阶段和后固化升温阶段，材料表面处出现显著的热应力。通过工艺优化，将传统的两段连续升温工艺（353.15K/2h+413.15K/3h）调整为带有冷却过程的三段式变温工艺（358.15K/0.25h+341.15K/1h+413.15K/3h）。数值模拟结果表明：与传统工艺相比，新工艺下热冲击峰的温度降低了20K，热冲击峰出现的时间提前了1000s，固化工艺时间缩短了约0.5h。在此基础上，采用新工艺和传统工艺制备了氧化石墨烯/水性环氧树脂复合材料，并对其进行力学实验测试，结果表明，新工艺制备的材料的弯曲强度达到100.4MPa，储能模量达到2749.6MPa，相比于传统工艺的弯曲强度（87.4MPa）和储能模量（2562.2MPa），分别提高了14.9%和7.3%。
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