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晶须改性热固性树脂的研究

胡晓兰  
【摘要】: 随着新型材料的不断发展,晶须改性聚合物得到了深入的研究和广泛的应用。但碳化硅晶须、氮化硅晶须等高品质晶须价格昂贵,限制了它们的应用。新型的硼酸铝晶须不仅性能优异,且价格相对较低,具有很高的性能价格比,正越来越受到人们的青睐。钛酸钾晶须近年来也突破了价格上的劣势,成为了一种性能优良、价格低廉的增强改性材料。晶须对热塑性树脂的改性作用已经得到广泛的研究,但晶须对热固性树脂的改性作用则研究的很少。本文主要研究了硼酸铝晶须、钛酸钾晶须对环氧树脂、双马来酰亚胺的改性作用。 针对硼酸铝晶须的特性,通过分子结构设计,合成了一类以硼原子为中心的硼酸酯偶联剂,同时在硼酸酯结构上连接有能与硼原子形成分子内配位的氮原子,很好地解决了由于硼原子具有强烈配位倾向而导致的水解稳定性差的问题。硼酸酯偶联剂因中心硼原子及烷氧基的原因与硼酸铝晶须产生良好的物理及化学作用,同时,其还能通过分子结构中连接的氨基、烯丙基、羟基等活性基团和有机的聚合物发生良好的化学反应及物理作用,有效地改善硼酸铝晶须和聚合物之间的界面粘接。实验通过红外光谱对合成的几种硼酸酯进行了结构表征,同时表征了硼酸酯的物理性能、水解稳定性。并通过实验确定了合适的反应路线及合成工艺。 用实验合成的硼酸酯偶联剂及硅烷、铝酸酯等偶联剂对硼酸铝晶须进行表面处理,考察了硼酸铝晶须对环氧树脂(E51/咪唑体系和TDE-85/MNA体系)和双马来酰亚胺树脂体系的工艺性、力学性能、耐热性等的影响,同时研究了偶联剂的种类、用量等对复合材料性能的影响。结果发现,硼酸铝晶须能明显提高材料的弯曲强度、弯曲模量、耐热性等,对复合材料的冲击强度也有一定的改善作用;随着晶须含量的增加改性体系的粘度逐渐增大,但不影响工艺性;偶联剂对复合材料的性能影响很大,实验表明,自行合成的硼酸酯(BE4)偶联剂对硼酸铝晶须的表面改性效果最佳。 针对钛酸钾晶须和硫酸钙晶须,选择了硅烷、钛酸酯等偶联剂对晶须进行表面处理,考察了偶联剂种类、用量以及晶须的用量对聚合物力学性能、耐热性等的影响。结果表明,硅烷(KH-921)和钛酸酯(NDZ311)对钛酸钾晶须的表面改性效果较好;硫酸钙晶须经硅烷改性后,性能也能得到一定程度的提高。钛酸钾晶须能明显地提高复合材料的弯曲强度、弯曲模量、热变形温度等。钛酸钾晶须和硫酸钙晶须与树脂的相容性较好,对体系粘度的影响较硼酸铝晶须小。 西北工业大学博士学位论文 Abstract 考察了钦酸钾晶须和硼酸铝晶须对双马来酞亚胺树脂摩擦磨损性能的影响,结 果表明,钦酸钾晶须能很好地解决双马来酞亚胺树脂粘着严重、摩擦系数不稳定的 情况,并且能有效地降低树脂基体的磨耗,添加3wt%钦酸钾晶须复合材料表现出 良好的摩擦磨损性能。当钦酸钾晶须含量较低时,磨损机制主要是粘着磨损和较轻 微的疲劳磨损和磨粒磨损,当晶须含量较高时,疲劳磨损占主导地位,同时伴有磨 粒磨损和轻微的粘着磨损。对硼酸铝晶须改性双马来酞亚胺树脂的摩擦磨损性能的 研究发现,硼酸铝晶须能使材料的摩擦系数增大,同时降低磨耗。当硼酸铝晶须含 量较小时,复合材料的摩擦机制为轻微的粘着磨损和疲劳磨损,当晶须含量较高时, 疲劳磨损占主导,同时伴有粘着磨损和磨粒磨损。 细长型的晶须在玻璃纤维/聚合物层间能起到良好的“钉扎效应”,对复合材料 的层间剪切性能具有明显的改善作用。尺寸较长、综合性能优良的钦酸钾晶须对复 合材料的性能改善作用最为明显。并且晶须使复合材料的弯曲强度、弯曲模量均得 到不同程度的提高。玻璃纤维/聚合物中添加晶须后,材料的耐湿热性能改善明显, 吸水率下降。


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