环氧树脂_聚芳醚腈复合材料的制备及性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月塑料工业 环氧树脂/聚芳醚腈复合材料的制备及性能研究覃建洪 张伦志 陈 卓 赵春霞 向 东 武元鹏(西南石油大学新能源与材料学院 四川 成都)摘要:采用环氧树脂()和聚芳醚腈()制备了/复合材料 通过万能材料试验机、热重分析仪()和动态热机械分析仪()探讨分析了 对 力学性能和热性能的影响/具有最佳力学性能 其拉伸强度和弯曲强度分别达到了 和 相比纯 分别提高了 和 冲击强度高达 /相比纯环氧树脂提高了 拉伸样条断面刻蚀前后的扫描电子显微镜()观察结果表明 呈球型均匀分散在基体中 可有效分散外力作用能 提高材料力学性能 同时 的 可使 的初始分解温度()提高了 玻璃化转变温度()提高了 可有效提高 的综合性能 有望拓展 的应用领域关键词:聚芳醚腈 环氧树脂 力学性能 玻璃化转变温度中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():/():()/()().()()././.().()().:环氧树脂()具有成本低廉、成型工艺简单、固化收缩率低、黏合力强、绝缘性能优异和耐化学腐蚀性等优势 被广泛用作涂料、黏结剂、密封剂、复合材料基体等 应用领域涵盖机械制造、航空航天、交通运输等 然而由于 中纯在大量环氧基团固化后交联密度高 分子链的柔顺性低 分子内应力大 使得 固化物脆性较大 耐冲击性能较差 难以满足高韧性和高冲击性工程领域的要求 增强环氧树脂的韧性已被公认为扩展其应用的有效方法近年来 国内外研究人员对环氧树脂增韧进行了大量研究 主要通过化学改性和物理改性其增韧化学改性通过将柔性链段引入环氧树脂或其固化剂中来达到增韧效果 但通常会降低环氧树脂的强度和模量 相比于化学改性 物理改性则更为简单有效 其将第二组分加入环氧树脂中 通过形成的两相结构来达到增韧的效果 第二组分通常是橡胶弹性体、热塑性聚合物、纳米粒子、核壳聚合物粒子等 橡胶弹性体增韧环氧树脂的同时往往会降低其耐热性和模量 而纳米粒子在树脂中的分散性问题也难以解决 高性能的热塑性树脂具有优异的耐热性、较好的韧性和较高的模量 因此 将其和环氧树脂共混是一种很好的选择 用杂萘联苯国家自然科学基金青年基金()四川省科技计划项目()通信作者:武元鹏 男 博士 教授 主要从事功能高分子研究 作者简介:覃建洪 男 年生 硕士研究生 主要从事环氧树脂复合材料研究 塑 料 工 业 年 聚醚腈酮()通过溶液共混法制备了/改性后体系冲击强度和弯曲强度分别提高了 和 谢苗苗制备了含羧基聚芳醚腈()通过溶液共混法制备了 改性的环氧树脂 其冲击强度提高了 剪切强度提高了 溶液共混法存在溶剂污染 并且在浇注体制备过程中 难以完全除去溶剂 复合材料中会存在应力残留 导致力学性能变差 热熔法不需要溶剂且成型工艺简单 易于工业加工生产聚芳醚腈()是近五十年来快速发展的热塑性特种高分子材料 其主链存在大量的醚键和强极性侧基氰基 从而赋予其一定的柔韧性 优异的耐热性和力学性能 本论文基于 与 相似苯氧基结构 通过热熔法将 溶解在 固化前驱体中 固化完成后产生诱导相分离 进而提高 的力学性能和热性能 与通用塑料和橡胶等相比 论文工作中 可同时提高 的力学性能、热分解温度和玻璃化转变温度 有效提高材料的综合性能 实验部分 主要原材料双酚 型环氧树脂:环氧值为 工业级 南通星辰合成材料有限公司 双酚 型聚芳醚腈:数均分子量为 万 工业级 四川能投川化集团新材料科技有限公司 甲基四氢苯酐、二甲基甲酰胺、二甲基苄胺:分析纯 成都市科龙化工试剂厂 仪器与设备真空干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司 扫描电子显微镜:德国卡尔蔡司显微图像有限公司 动态热机械分析仪:美国 公司 热重分析仪:瑞士梅特勒托利多公司 万能试验机:美特斯工业系统有限公司 摆锤冲击试验机:深圳新三思材料检测有限公司 /复合材料的制备将 的环氧单体加热至流动状态 加入 的 后 搅拌 得到均匀混合物 将混合物冷却到 加入 甲基四氢苯酐和 二甲基苄胺 机械搅拌 浇注于模具中 并在 下真空脱泡 将真空脱泡处理后预聚体和模具放置烘箱中固化 固化条件是 /固化完成后 自然冷却至室温后得到 质量分数 的 复合材料 命名为/按照相似流程制备/和/不添加 的 为空白对比样 测试与表征扫描电镜()观察液氮脆断试样断面形貌和拉伸断面形貌 加速电压为 测试前对样品进行喷金处理 动态热机械分析仪()测试材料的储能模量和玻璃化转变温度()其中升温速率为 /频率为 温度范围为 热重分析仪()测试材料的热降解性能 实验参数:气氛保护 按照 /的速度升温温度范围为 万能试验机和摆锤冲击试验机测试力学性能 测试过程按照/进行 每组样品测试 次 结果取平均值 并计算误差值 结果与讨论 /复合材料力学性能图 是为 及/复合材料力学性能测试结果图 及/复合材料拉伸强度和模量 /图 及/复合材料的弯曲强度和弯曲模量 /随着 含量的增加 复合材料拉伸强度、弯曲强度和简支梁冲击强度均逐步提高 当 质量分数为 时均达到最大值 分别为 、第 卷第 期覃建洪 等:环氧树脂/聚芳醚腈复合材料的制备及性能研究 和 /相比纯 分别提高、和 当向 中引入 后复合材料的拉伸模量和弯曲模量均比纯 高 不同 含量的复合材料模量并没有较大的增长趋势由于复合材料中 和 两相分离 粒子起铆钉作用 在一定程度上阻碍了基体树脂分子链的运动 使复合材料模量提升 但是 本身刚性不强两者刚性差异较小 使得复合材料刚性提升较小 即拉伸模量提升较小图 及/复合材料的冲击强度 /及/复合材料断面微观形貌 在 中的分布与复合材料的力学性能有密切的关系 及/复合材料液氮脆断断面刻蚀前后的 测试结果如图 和图 所示/图 及/复合材料脆断断面刻蚀前 图 /在 中具有良好的溶解性能 将复合材料浸入 溶液刻蚀 对比图 和 可以发现 刻蚀前纯 的断裂面刻蚀前后无明显变化 从图 可以看见 刻蚀前共混物断裂面存在一些颗粒和孔洞 分别是分散在 基体中的 颗粒和脆断过程中 脱离后留下的痕迹 随着 含量的增加颗粒和孔洞数量增加 质量分数为 的共混物颗粒和孔洞数量最多 从图 可以看到刻蚀后的样品表面颗粒消失 孔洞增加 其原因是共混物表面的 颗粒溶解在了 中 留下了大量孔洞 并且随着 含量的增加孔洞数量增加/、/和/复合材料刻蚀后孔洞的大小基本一致 各样品孔洞分布相对均匀 说明共混物中 在 中分布均匀/图 及/复合材料脆断断面刻蚀后 图 /图 为 及/复合材料拉伸断面的 图像 纯 拉伸断面的微观形貌呈现平滑状态(图)表现出典型的脆性断裂特征 随着 用量增加/复合材料拉伸断面的微观形貌变得越来越粗糙 裂纹及分支较多 整个表面发散无序 并出现韧窝 表现出韧性断裂的形貌特点 在 中分散均匀 整体相容性较好 结合力较强 基体材料在受到外力作用下 诱发剪切带滑移 颗粒作为应力集中点 吸收大量能量 抑制银纹发展使其终止 从而提升 的韧性 提高 的拉伸强度和弹塑 料 工 业 年 性模量/图 及/复合材料拉伸断面 图 /复合材料 分析采用 测试分析 及/复合材料的热降解过程(图)的热稳定性 样品热失重 时对应温度()、最大热失重速率对应温度()和 时的残炭量见表 与纯 相比/复合材料的 和 都有所上升 的残炭量也在逐渐增加/的、和残炭量比纯 分别上升了 、和 出现 和 两相分离现象 因此复合材料出现两段分解 第一个失重主要在 这主要是由于环氧树脂主链发生裂解 炭化分解 失重速率达到最大 第二个失重主要在 这主要是由于 固有的高耐热性能 随着 含量的增加 热分解范围增大 结果清楚地表明 加入 后/环氧复合材料的热稳定性略有提高表 及/复合材料热稳定数据)/下的残炭量/注:)样品热失重 时对应温度 样品最大热失重速率对应温度图 及/复合材料的 测试曲线图 /复合材料 分析 及/复合材料的储能模量和损耗因子()随温度变化曲线如图 和图 所示 在低温区()纯 的储能模量()最大 时、/、/和/的 分 别 是 、和 随着 含量的增加/复合材料的储能模量增加 但总是低于纯 这可能是由于 为热塑性高分子并且不跟 发生反应 会导致 的固化程度和交联密度降低 使/复合材料低温区域的储能模量降低 在高温区()复合材料的储能模量随着 含量的增加而增加 结构中含有大量苯环结构 并且分子间具有很强的极性作用力 拥有较高的 在高温下仍保持较好的力学性能 阻碍基体树脂分子链的运动 使复合材料保持高的储能模量图 及/复合材料的储能模量 /损耗因子()随温度变化曲线峰值对应材料的 、/、/和/复合材料的 分别为 、和 这是由于刚性 的加入 阻碍基体树脂分子链的运动 复合材料的链段运动能力降低 从而复合材料的 升高 当 中 的含量高于 第 卷第 期覃建洪 等:环氧树脂/聚芳醚腈复合材料的制备及性能研究时 在 温度曲线 左右可以观察到弱峰对应 的 说明复合材料存在两相分离 这与 测试结果一致图 及/复合材料的损耗角正切 /结论)制备了不同含量的/复合材料 质量分数为 时整体力学性能最佳)环氧树脂固化过程中/复合材料发生了明显的反应相分离 且 均匀分散在环氧基体中)/复合材料的储能模量低于纯 但复合材料的储能模量随着 含量的增加而增加/复合材料的 随着 含量的增加而提高)的加入对复合材料的耐热性有一定的提高参 考 文 献 .:.():.():.():.李瑜 邓金飞 孙昭宜 等.端氨基聚硫橡胶增韧改性环氧树脂 .高分子材 料 科 学 与 工 程 ():.():.:.():.:.():.():.阳建新 张祥凯 谢建强 等.环氧固化剂研究的新进展.中国胶粘剂 ():.():./().():.():.():.:.():.():.():./.():.(下转第 页)第 卷第 期蔡厚道 等:汽车马鞍盖板滑块斜顶机构热流道注塑模具设计():.():.蔡凯武 李秋奋 王春鹏.汽车保险杠装饰条塑料精密模具设计.塑料 ():.():.赵利平 侯贤州 罗哲 等.汽车后保险杠热流道大型精密注塑模具设计.塑料科技 ():.():.张维合.汽车中央通道主体大型注塑模具设计.中国塑料 ():.():.张维合 冯国树 宋东阳 等.机器人关节轴二次抽芯及随形水路注塑模具设计.塑料工业 ():.():.傅莹龙 张留伟 叶星辉 等.基于 与 技术的汽车副仪表板倒装模具设计.塑料工业 ():.():.张华龙 张二红 苏海洋 等.后防擦条大流长比注塑参数优化及试验验证.工程塑料应用 ():.():.庞广富 陶权 余鹏.基于综合加权评分法的空气滤清器注 塑 成 型 优 化 .塑 料 科 技 ():.():.(本文于 收到)(上接第 页).():.():./.:():.():.().():.谢苗苗.新型聚芳醚腈的合成及改性环氧树脂性能研究.哈 尔 滨:黑 龙 江 省 科 学 院 石 油 化 学 研 究院.:.().():.刘艳萍 赵硕 石江 等.碳化硼/环氧树脂复合材料的力学性能及疲劳寿命 .塑料工业 ():./.():.(本文于 收到)