环氧树脂/二氧化硅-二氧化钛纳米杂化材料的制备及其性能研究

【摘要】：环氧树脂有诸多方面的优点,然而,由于环氧树脂是交联度很高的热固性材料,它的裂纹扩展属于典型的脆性扩展,其固化物脆性大、耐热性差、抗冲击强度低、易开裂,难以满足日益发展的工程技术的要求,从而限制了环氧树脂的进一步应用。在环氧树脂中加入纳米粒子是提高其韧性的一种行之有效的方法。为此,本论文从纳米复合材料的结构特点出发,对国内外环氧树脂增韧的方法、增韧效果及增韧机理作了较为详细的综述。合成了三种不同类型的EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料,通过实验及结果表征得到以下结论: 1、采用溶胶-凝胶法制备了接枝型、含有刚性-柔性链段及超支化聚合物的三种不同类型的EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料。对合成材料的各种类型中间体和产物采用FTIR、XRD、1HNRM、AFM 、DSC、TG、UV-Vis、TEM 及SEM 等手段进行了表征。实验结果表明:EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料薄膜的透光率高达80%以上。XRD 表明了SiO_2-TiO_2 无机网络与环氧树脂基体是以化学键结合,而非简单的物理共混。AFM 及TEM 结果表明了在所研究的SiO_2-TiO_2 含量范围内,SiO_2-TiO_2 无机双组分复合粒子粒径在10~100nm 之间。 2、通过DSC 测试方法,采用Kissinger、Ozawa 及Crane 三种动力学模型,对不同含量的SiO_2-TiO_2接枝型EP/SiO_2-TiO_2预聚物/DDS固化体系进行了非等温固化动力学进行研究。结果表明:SiO_2-TiO_2 的加入使固化反应的活化能提高,而固化反应级数基本不变,表明SiO_2-TiO_2的加入并没有改变固化过程机理。固化反应过程是一个较为复杂的反应。 3、通过对改性材料的宏观力学性能和扫描电镜断面的结果分析表明,纳米SiO_2-TiO_2 无机网络的存在,可以使环氧树脂固化物的韧性有较大的提高,同时材料的拉伸强度、弯曲强度也有不同程度的提高。在所研究的SiO_2-TiO_2用量范围内,改性材料的冲击强度提高了2~3 倍,即达到增强、增韧和增刚的作用。 4、从材料冲击断面的扫描电镜(SEM)分析,SiO_2-TiO_2 无机网络增韧改性环氧树脂的机理,主要是以纳米粒子诱导基体树脂产生屈服变形导致银纹化和孔洞化为主。 5、固化物的蠕变和应力松弛实验结果表明:SiO_2-TiO_2 无机网络的形成,使固化体系网络中的交联点增加,导致交联点间线形卷曲链段部分变形困难,增大了固化物