雜化樹脂與環(huán)氧樹脂共混固化物的力學(xué)性能研究

張曉雅

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

環(huán)氧樹脂是一種常用的熱固性樹脂材料，廣泛應(yīng)用在涂料、膠黏劑、機(jī)械制造、封裝、化工防腐、航空航天等領(lǐng)域，具有良好的電絕緣性、優(yōu)良的粘結(jié)性能、耐酸堿性、穩(wěn)定性、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是各工業(yè)領(lǐng)域中不可或缺的基礎(chǔ)材料，但因?yàn)榧兊沫h(huán)氧樹脂固化后具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，交聯(lián)密度高，分子鏈間缺少滑動(dòng)表面能較高等原因，使其內(nèi)應(yīng)力較大、高溫下易降解，耐沖擊性能差且容易開裂，呈現(xiàn)高度脆性，很大程度上限制環(huán)氧樹脂在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

無機(jī)納米粒子具有較大的比表面積，表面具有大量的活性基團(tuán)，因而可以跟聚合物發(fā)生強(qiáng)烈的作用，且保留了無機(jī)物的剛性、良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)，添加到聚合物基體中，能增強(qiáng)聚合物的剛性和韌性[1-4]。

納米材料由于具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出與塊體材料不同的、獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在實(shí)際應(yīng)用和理論上都具有極大的研究?jī)r(jià)值。納米復(fù)合材料中，當(dāng)納米顆粒大小接近原子，量子效應(yīng)開始影響到物質(zhì)分子，使物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致性能發(fā)生變化。有機(jī)無機(jī)納米雜化材料既保持了高聚物基體本身的優(yōu)異性能，又充分發(fā)揮了納米組分的特殊效應(yīng)，使得有機(jī)無機(jī)納米雜化材料具備傳統(tǒng)材料所沒有的特殊性能，可以作為高性能材料和功能性材料，是當(dāng)前乃至未來的研究熱點(diǎn)，可以在建筑材料領(lǐng)域應(yīng)用更廣泛。

本試驗(yàn)用物理共混法制備環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂和CY179固化物，研究了加入不同量的環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂對(duì)固化物的力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和原料

主要實(shí)驗(yàn)原料列于表1中。

表1 實(shí)驗(yàn)采用主要原料

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

電子天平，分析天平，超聲細(xì)胞破碎儀（Sonifier450D，離心機(jī)，烘箱，塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(深圳三思縱橫科技股份有限公司)，萬能試驗(yàn)機(jī)（Zwick/Roell 2010），陶瓷研缽，瑪瑙研缽，聚四氟乙烯膜，聚四氟乙烯模具等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及方案

1.3.1 環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂的制備

將一定質(zhì)量的偶聯(lián)劑CG-O186均勻分散在150ml混合溶劑中（水:乙醇=4:1），然后將40g氣相二氧化硅通過機(jī)械攪拌作用均勻分散在上述偶聯(lián)劑溶液中，調(diào)節(jié)體系Ph=9.0。70℃下超聲分散20min，超聲完成后置于500ml四口燒瓶?jī)?nèi)，70℃下攪拌回流反應(yīng)6h。將反應(yīng)所得溶液離心分離、乙醇洗滌3遍，真空干燥即得環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂[5]。

1.3.2 雜化樹脂與CY179環(huán)氧樹脂的共混

按表2配方表，先往CY179環(huán)氧樹脂中加入不同計(jì)量的二氧化硅，充分研磨，抽真空以脫去氣泡，再加入固化劑酸酐以及促進(jìn)劑，充分?jǐn)嚢瑁蛊浠旌暇鶆?，注入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中固化，分三段固化，先?0℃中固化2h，再在120℃中固化2h，最后在130℃中固化1h。

表2 雜化樹脂與CY179共混固化配方

1.3.3 力學(xué)性能的測(cè)試

采用Zwick/Roell 2010萬能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 1040.2-2006《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》，對(duì)制備得到的固化樣條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率；采用塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(深圳三思縱橫科技股份有限公司)，依據(jù)GB/T 1043.1-2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》對(duì)制備得到的固化樣條進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

在本次研究中，用物理共混法制備環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂和CY179固化物，通過用研磨的方法提高環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂在環(huán)氧樹脂基體中的分散性。以酸酐為固化劑，四丁基溴化銨為促進(jìn)劑，采用的固化工藝為：90℃/2h+120℃/2h+130℃/1h。主要研究了加入不同量的環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂對(duì)固化物的力學(xué)性能的影響。

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)各配方的共混固化物（所用雜化樹脂為濃度8%的偶聯(lián)劑）樣條進(jìn)行了測(cè)試，分析環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂添加量對(duì)CY179環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響，測(cè)試結(jié)果見表3、圖1～圖3。

從表3以及圖1～圖3中可以看出，隨著環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂添加量的增加，固化物的力學(xué)性能先增加后減小，在雜化樹脂填充量為5phr時(shí)，所得的固化物的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及無缺口沖擊強(qiáng)度均達(dá)到極大值（36.8MPa、7.8%、15.3kJ·m-2），相比純環(huán)氧樹脂，固化物的力學(xué)性能分別提高了120.4%，85.7%，54.5%。

表3 雜化樹脂的添加量對(duì)環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響

圖1 雜化樹脂的添加量對(duì)固化物拉伸強(qiáng)度的影響

圖2 雜化樹脂的添加量對(duì)固化物斷裂伸長(zhǎng)率的影響

其性能的提高可用銀紋剪切帶理論來解釋：當(dāng)環(huán)氧固化物受到外力作用，易產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)而引發(fā)周圍環(huán)氧樹脂基體產(chǎn)生銀紋，納米粒子之間的基體樹脂也產(chǎn)生塑性形變，吸收一定的能量。銀紋產(chǎn)生的原因是環(huán)氧樹脂基體中存在應(yīng)力集中物SiO2粒子，在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，產(chǎn)生塑性剪切變形。因?yàn)榫酆衔飸?yīng)變軟化的特點(diǎn)，局部塑性變形量迅速增加，在塑性變形區(qū)產(chǎn)生橫向應(yīng)力分量，環(huán)氧樹脂沿拉伸應(yīng)力方向伸長(zhǎng)時(shí)，必然產(chǎn)生橫向收縮，同時(shí)產(chǎn)生抵抗這種收縮趨勢(shì)的橫向應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力增大到一定程度的時(shí)候，環(huán)氧樹脂局部塑性變形區(qū)產(chǎn)生微空洞，微空洞繼續(xù)生長(zhǎng)變形，最后形成銀紋中的橢圓空洞。銀紋的產(chǎn)生吸收了部分能量，使得樹脂能承受更大的荷載，力學(xué)性能得到提高。另一方面，剛性納米SiO2粒子的存在，使環(huán)氧樹脂基體內(nèi)銀紋擴(kuò)展受到阻礙和鈍化，導(dǎo)致開裂停止。當(dāng)環(huán)氧-二氧化硅雜化樹脂用量過多時(shí)，固化物的應(yīng)力集中較為明顯，銀紋容易發(fā)展成為宏觀裂紋，造成固化物力學(xué)性能降低，因而隨著雜化樹脂添加量的增加，環(huán)氧固化物力學(xué)性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

以CY179環(huán)氧樹脂作為基體材料，添加不同量的偶聯(lián)劑濃度為8%的雜化樹脂，制備得到環(huán)氧共混固化物。隨著雜化樹脂添加量的增加，共混固化物的力學(xué)性能先增加后減小，在雜化樹脂填充量為5phr時(shí)，所得的環(huán)氧共混固化物的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及無缺口沖擊強(qiáng)度均達(dá)到極大值，分別為36.8MPa、7.8%、15.3kJ·m-2，相比純環(huán)氧樹脂，環(huán)氧固化物的力學(xué)性能分別提高了120.4%，85.7%，54.5%。