改性聚醚醚酮增韧环氧树脂的研究

【摘要】： 环氧树脂(Epoxy resin，简称EP)由于在强度、模量、热稳定性及耐湿热、耐化学性方面的突出优点而成为应用广泛的基体树脂。但因其固化后交联密度高、质脆等缺点，在很大程度上限制了它在某些高技术领域的应用。因此，对EP增韧研究具有非常重要的理论价值和现实意义。本文在综述了目前国内外环氧树脂增韧方法与机理的基础上，提出了将聚醚醚酮(PEEK)进行化学改性后用于增韧环氧树脂的新思路。主要的研究内容和结论如下： 1、以PEEK为原料、浓硫酸为磺化剂，制备了不同磺化度的磺化聚醚醚酮(SPEEK)。研究结果表明，SPEEK的热稳定性好，在400℃以下SPEEK热失重小于3wt％；SPEEK的磺化度随着反应时间和反应温度的增加而提高；与PEEK相比，SPEEK的结晶性下降。SPEEK经过氯甲基化和胺化改性，得到苯环上具有-SO_3H和-CH_2N(CH_3)_2基团的改性PEEK。 根据实验数据计算，得到了PEEK磺化反应动力学参数，即表观活化能Ea=35.48kJ／mol，反应速率常数k=2266.5×exp(4267.5／T)。 2、利用非等温差示扫描量热法(DSC)分析，确定了改性PEEK／EP树脂体系的固化工艺制度：80℃／2h+125℃／2h+180℃／3h，得到了改性PEEK／EP体系的固化反应表观活化能ΔE=63.82kJ／mol，反应级数n=0.964，固化反应的动力学方程为：dα／dt=1.792×10~7exp(-7676.2／T)(1-α)~(0.964)。对改性PEEK／EP体系的固化反应机理进行了初步分析。 3、对改性PEEK／EP体系力学性能进行了研究。常温下稳定性好，黏度变化小，凝胶时间较长，在高温下对温度敏感，具有良好的高温反应活性，可以满足施工工艺性要求。改性PEEK在增韧环氧树脂的同时，使固化体系拉伸强度、弯曲强度、弹性模量、断裂伸长率均有不同程度的提高。在实验条件下得到该改性树脂最大拉伸强度、弯曲强度、冲击韧性、断裂伸长率为71MPa、142.3MPa、23.1kJm~(-2)和4.13％，分别比纯环氧固化物提高了24.6％、53％、151％和56％。当树脂体系中改性PEEK含量为8wt％时，断裂韧性K_(IC)达到最大值2.169MPa.m~(1／2)，比纯环氧树脂试样提高了1.1倍。 4、DMA测试表明，改性PEEK的加入较好地改善树脂体系的热性能。改性树脂的玻璃化温度Tg、起始分解温度T_(onset)随着改性PEEK含量的增加而升高，储能模量E′在Tg以下随着改性PEEK的含量的增加而增大。其长期使用温度为186.7℃。 5、根据DMA、SEM、FT-IR测试结果，初步提出了PEEK和改性PEEK增韧环氧树脂的增韧机理。以分散相颗粒的桥联和钉锚作用为主导，基体屈服共同作用的增韧机理。由于改性PEEK极性基团进入固化交联网络而成为网络结点，起到了较好的应力分散和承受应力的作用，增韧效果更好。