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环氧树脂作为一种性能优异的高分子聚合物,广泛应用于金属粘接、防腐蚀涂料、绝缘电气浇铸以及高性能工程材料方面。但是纯环氧树脂固化制品存在质脆、内应力大且抗冲击、抗剪切等机械性能较差等方面的缺点,很大程度上限制了它在更多的高技术领域地运用。为了解决这一问题,需对环氧树脂进行复合改性。近年来,层状硅酸盐掺杂环氧树脂制备高性能纳米复合材料已经成为一大趋势,尤以蒙脱土改性环氧树脂的研究为甚。寻找适合的插层剂改性蒙脱土成为了关键。本文选择了壳聚糖和间苯二甲胺两种物质作为插层剂改性蒙脱土,制备了有机蒙脱土粉体。用所得有机蒙脱土掺杂环氧树脂合成了有机蒙脱土/环氧树脂纳米复合材料。通过X射线衍射仪(XRD)、傅里叶转换红外光谱分析仪(FTIR)表征了有机蒙脱土的微观结构;应用环境扫描电子显微镜(ESEM)研究了有机蒙脱土/环氧树脂纳米复合材料的形貌;并且使用微机控制电子万能试验机、悬臂冲击试验机、动态热机械分析仪(DMA)分别对该纳米复合材料进行了材料机械性能、热机械性能方面的研究。通过各项试验研究结果表明:
(1)壳聚糖改性的有机蒙脱土层间距扩大到1.983nm,ESEM表征显示表面形貌变得疏松多孔,比表面积得到一定增大。制备了壳聚糖改性的有机蒙脱土/环氧树脂纳米复合材料,并对其进行了拉伸强度、冲击强度的测试。结果表明复合树脂的抗拉伸性能和抗冲击性能相较于纯环氧树脂材料有了明显提高,在有机蒙脱土添加量为40%时达到最大值,分别提高了86.8%和51.2%。对纯环氧树脂以及复合树脂进行热机械性能的表征,结果显示复合树脂的储能模量有所提高,但同时玻璃化转变温度却有所下降,复合树脂耐热性有少许下降。
(2)间苯二甲胺改性的有机蒙脱土层间距扩大到1.45nm,证明间苯二甲胺已经顺利插入蒙脱土层间。对纯环氧树脂和有机蒙脱土纳米复合材料进行了拉伸强度、冲击强度的测试。结果表明复合树脂的抗拉伸性能和抗冲击性能相较于纯环氧树脂材料均有提高,特别是冲击强度在间苯二甲胺改性有机蒙脱土添加量为50%时,提高了145.26%。热机械性能的表征,表明复合树脂的储能模量也有所提高,Tg同时也有所下降,通常应用情况下该现象对材料性能影响不大。
(3)两种改性体系相比,两体系均有优缺点。壳聚糖改性体系能够较大程度撑开蒙脱土晶层间距,且壳聚糖是天然高分子,对人体和环境友好。间苯二甲胺改性体系属于反应插层体系,能够与后续高分子聚合链段发生化学反应,其所制备的有机蒙脱土/环氧树脂纳米复合材料的冲击性能得到了显著提高,缺点是间苯二甲胺撑开蒙脱土晶层的能力有限。