碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能研究

劉藝帆　李景慶

摘要：分別采用固化劑D230、9035、acamine 2636與環(huán)氧樹脂E51混合，然后分別與用硅烷偶聯(lián)劑（KH550、KH560、A171）處理的碳化硅顆?；旌?，采用澆注法制備了碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。以材料的彎曲強度為評價方法，研究了3種不同固化劑構(gòu)成的環(huán)氧樹脂體系以及3種硅烷偶聯(lián)劑對碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能的影響，以及復(fù)合材料彎曲強度與材料中環(huán)氧樹脂含量的關(guān)系。結(jié)果表明，3種固化劑中以D230、9035制備的材料性能為好；采用KH550、KH560處理碳化硅顆粒后的材料性能比不處理或采用A171處理碳化硅顆粒后的材料性能為好。隨著復(fù)合材料中環(huán)氧樹脂相含量的增加復(fù)合材料的彎曲強度下降。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；碳化硅；復(fù)合材料

中圖分類號：TQ433.4+37 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2013）07-0051-03

1 前言

環(huán)氧樹脂是一種常用的具有良好使用性、價廉的熱固性高分子材料，但也具有耐摩擦磨損性能和導(dǎo)熱性能較差的缺點，通常需要與其他無機填料復(fù)合才能獲得良好的耐磨損性能和導(dǎo)熱性能[1]。碳化硅（SiC）具有高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、高熱導(dǎo)率、良好的高溫穩(wěn)定性、低的線脹系數(shù)、強的耐化學(xué)腐蝕性等優(yōu)點[2]。將碳化硅顆粒（包括納米顆粒）和環(huán)氧樹脂混合后固化成型，制備碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，可以制備耐磨損材料和導(dǎo)熱材料[3～5]。

澆注法制備顆粒填充的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有操作簡單，改變模具可制成各種形狀部件的優(yōu)點。本研究采用價格相對便宜且易得的普通碳化硅顆粒、3種固化劑和環(huán)氧樹脂，用澆注法制備了碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。系統(tǒng)研究了固化劑、硅烷偶聯(lián)劑對碳化硅顆粒的表面處理對復(fù)合材料彎曲性能的影響，以及碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲性能與環(huán)氧樹脂相含量的關(guān)系。

2 實驗部分

2.1 主要原料

環(huán)氧樹脂（E-51），天津天豪達化工有限公司；固化劑acamine 2636，美國空氣產(chǎn)品公司；固化劑9035，蘇州亨思特實業(yè)有限公司；固化劑D230，美國亨斯邁公司；偶聯(lián)劑KH 550、KH560，遼寧蓋州市恒達化工有限責(zé)任公司；偶聯(lián)劑A171，美國聯(lián)碳公司；促進劑K54，韓國金井公司；黑碳化硅顆粒（12#、60#、90#、320#），市售。

2.2 碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備

在容器中加入乙醇和偶聯(lián)劑，配成偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為5%的溶液。加入碳化硅顆粒浸泡30 min，過濾后將碳化硅在120 ℃干燥30 min。

稱取環(huán)氧樹脂、按化學(xué)計量分別加入固化劑（acamine 2636、9035、D230），最后加入固定量的促進劑（K54），攪拌均勻，分別加入一定量不同粒徑按固定比例混合的碳化硅顆粒，充分攪拌均勻后，澆注到專用模具中，震蕩脫泡，靜置10 min，再按60 ℃/2 h+120 ℃/1 h的工藝固化，冷卻后取出，得到20 mm×9 mm×150 mm的試樣。

2.3 分析測試和性能表征

采用美國熱電公司DXR激光顯微拉曼光譜儀對顆粒進行表面成分的測試；彎曲強度采用Testometric公司的M350-20KN CX型號萬能材料試驗機，按GB/T 2570—1995測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 固化劑對碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲性能的影響

表1列出了碳化硅顆粒未經(jīng)偶聯(lián)劑處理，環(huán)氧樹脂體系含量為20%時，3種固化劑分別與環(huán)氧樹脂配合所制備的碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲強度值。

由表1可以看出，9035固化劑所制得的復(fù)合材料彎曲強度最佳，D230次之。而acamine 2636彎曲強度最低。這可能是由于acamine 2636固化劑為間苯二甲胺、苯酚和甲醛縮合反應(yīng)后的混合物，與T31類似，為曼尼斯加成多元胺。該混合物含有較多苯環(huán)，固化產(chǎn)物脆性大。另外加入固化劑和促進劑后體系固化的凝膠時間短，使顆粒與環(huán)氧體系的攪拌過程不能充分進行，造成環(huán)氧樹脂不能充分濕潤碳化硅顆粒表面；同時，混入的氣泡不能最大限度地排除，造成復(fù)合材料中有很多孔隙，故復(fù)合材料的彎曲強度低。而固化劑9035為脂環(huán)族胺，D230為聚醚胺，他們與環(huán)氧樹脂混合后在室溫下有相對較長的凝膠時間，有較長的操作時間，既能充分濕潤碳化硅顆粒表面，又能充分排除裹進的氣泡，而且其分子結(jié)構(gòu)能賦予固化物良好的韌性，故復(fù)合材料的彎曲強度較高。

3.2 偶聯(lián)劑處理對碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲性能的影響

表2列出了以D230為固化劑、用不同偶聯(lián)劑處理碳化硅顆粒所制樣品的彎曲強度，表3列出了以9035為固化劑、用不同偶聯(lián)劑所制樣品的彎曲強度。

從表2可以看出，固化劑為D230時，KH550、560處理碳化硅顆粒后對材料的彎曲強度都有明顯的提高，而A171僅對彎曲強度略有提高。從表3可知，固化劑為9035時，KH560對固化產(chǎn)物的彎曲強度提升最顯著，KH550對彎曲強度僅提高了2.9%，A171幾乎沒有影響。

采用DXR顯微拉曼光譜儀對其中采用KH550偶聯(lián)劑處理前后的表面成分進行分析。圖1為未處理的碳化硅顆粒表面的拉曼光譜圖，圖2為碳化硅顆粒采用KH550偶聯(lián)劑處理后表面的拉曼光譜圖，圖3為KH550偶聯(lián)劑液體的拉曼光譜圖。對比圖2與圖3，可以證實，經(jīng)過KH550偶聯(lián)劑處理的碳化硅顆粒表面附著了一層硅烷偶聯(lián)劑。經(jīng)過另外2種偶聯(lián)劑（KH560，A171）處理的表面也同樣附著了相應(yīng)硅烷偶聯(lián)劑。

偶聯(lián)劑的一端含有親水的硅氧烷基團，一端含有親油基團，結(jié)構(gòu)通式為R-Si-（OR）3。親水的硅氧烷基團，取向于碳化硅材料表面，與表面吸附的水分子或羥基可發(fā)生水解縮聚，形成低聚物。另一端的親油基團可與環(huán)氧樹脂相容。不同偶聯(lián)劑處理的碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能不同主要歸結(jié)于硅烷偶聯(lián)劑R基團結(jié)構(gòu)的不同。KH550為γ-氨丙基三乙氧基硅烷，KH560為γ- （2.3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，A171 為乙烯基三甲氧基硅烷。 KH550含有的氨丙基與KH560含有的環(huán)氧基在固化過程中可分別與環(huán)氧樹脂體系中的環(huán)氧基和氨基進行化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，從而可提高其彎曲強度。而A171含有的乙烯基，卻不能與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)，故而經(jīng)A171處理后所制的材料，其彎曲強度與不加偶聯(lián)劑時大致相當(dāng)。

3.3 環(huán)氧樹脂固化物含量對碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲性能的影響

由以上結(jié)果可以看出，KH550與D230所制樣品的性能較為出色，而且D230固化劑與環(huán)氧樹脂混合后與其他2種固化劑體系相比黏度最低，流動性最佳，因此，選定偶聯(lián)劑KH550及固化劑D230研究不同環(huán)氧樹脂含量對固化后復(fù)合材料性能的影響。

分別采用13%、15%、17%、25%的環(huán)氧樹脂加入量制備了彎曲試樣，彎曲強度見表4。

由表4所示，環(huán)氧樹脂用量為13%～25 %時，隨著含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強度呈下降趨勢。從實際制備過程中可知，要制備環(huán)氧樹脂含量更低的碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，已不能采用普通的澆注法來制備。在實驗過程中，制備含13%的樣品時，碳化硅顆粒與環(huán)氧樹脂的混合物無流動性，為分散的顆粒狀，需通過機械手段才能緊密結(jié)合在一起。而制備含25%樣品時，混合物有較好的流動性。

4 結(jié)論

（1）碳化硅粒子未經(jīng)偶聯(lián)劑處理時，3種固化劑中，試樣的彎曲強度以9035、D230為好，acamine 2636的彎曲強度最低。

（2）同種固化劑時，用KH550和KH560處理碳化硅能明顯提高材料的彎曲強度，而A171幾乎沒有影響。用顯微拉曼光譜儀對偶聯(lián)劑處理后的顆粒表面進行表征，證實了偶聯(lián)劑在顆粒表面的存在，解釋了 KH550和KH560處理后使復(fù)合材料彎曲強度提高的原因。

（3）在環(huán)氧樹脂用量為13%～25%時，隨著環(huán)氧樹脂含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強度相應(yīng)降低。

參考文獻

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