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室温固化环氧树脂相比高温固化环氧树脂在能耗上优势明显,并且突破了环境温度的条件限制,使环氧树脂的应用范围极大提高,但是其固化后,本身交联密度不够高,力学性能较低、热稳定性差的缺陷不满足实际应用的标准。为了替代高温固化环氧树脂的模式,改进树脂固化工艺,优化树脂产品,减少能耗,这些缺陷必须得到最大程度的改善。
本文分别以邻苯二胺(OPD)、二氨基甲苯(DAT)、三甲基间苯二胺(TMP)与丙烯酸(HAA)反应,获得了三种新型丙烯酰胺。并用三种新丙烯酰胺为固化剂制备了三个纯环氧树脂体系,分别为E51/OPD-HAA、E51/DAT-HAA和E51/TMP-HAA。再利用氧化铈、硅纳米粉体为增强体制备了六个环氧树脂基纳米复合材料体系,分别为OPD-HAA/CeO2、DAT-HAA/CeO2、TMP-HAA/CeO2、OPD-HAA/Si、DAT-HAA/Si和TMP-HAA/Si。利用红外光谱(FTIR)和差示扫描量热仪(DSC)研究了树脂和纳米复合材料的固化行为,利用TGA、万能拉力试验机、冲击试验机和SEM研究树脂材料和复合材料的热稳定性、力学性能和断裂形貌。
上述丙烯酰胺均能使环氧树脂在室温下发生交联固化,且固化产物的热稳定性、力学性能优于脂肪族室温固化剂。三种树脂体系的T5、T10分别在150℃和230℃左右,弯曲强度均高于30MPa,拉伸强度均大于38MPa。其中TMP-HAA表现最佳,800℃下残炭率高达12%,弯曲强度为71.1MPa,拉伸强度为58.2MPa,断裂伸长率为5%。
利用CeO2和Si纳米粒子的小尺寸效应和表面羟基作用提高树脂自身的交联密度,以及纳米粒子的表面作用增强了粒子与树脂的结合力,制备出颗粒增强的环氧树脂基纳米复合材料。由热性能测试可知,随着CeO2和Si纳米粉体添加量的增加,复合材料的热稳定性稳步提高,当添加量为35%(质量比)时,体系热稳定性最佳,CeO2纳米粒子对三种固化体系的T5、T10和Yc分别平均提高了94℃、117℃和30.57%;Si纳米粒子对三种固化体系的T5、T10和Yc分别平均提高了76℃、102℃和27.32%。
力学性能测试中发现,添加CeO2和Si纳米粉末后三种固化体系的弯曲性能、拉伸性能和抗冲击性能均有提高。其中氧化铈纳米为增强体时,TMP-HAA/CeO2体系力学性能最佳,弯曲强度达到129.2MPa比纯树脂(E51/TMP-HAA)提高了81.7%;抗冲击性能为37.9kJ/m2比纯树脂(E51/TMP-HAA)提高了58.5%;拉伸强度为103.8MPa比纯树脂(E51/TMP-HAA)提高了78.3%。硅纳米为增强体时,DAT-HAA/Si体系力学性能最佳,弯曲强度达到86.9MPa比纯树脂(E51/DAT-HAA)提高了188.7%;抗冲击性能为99.5kJ/m2比纯树脂(E51/DAT-HAA)提高了71.8%;拉伸强度由为103MPa比纯树脂(E51/DAT-HAA)提高了106%。
本文分别以邻苯二胺(OPD)、二氨基甲苯(DAT)、三甲基间苯二胺(TMP)与丙烯酸(HAA)反应,获得了三种新型丙烯酰胺。并用三种新丙烯酰胺为固化剂制备了三个纯环氧树脂体系,分别为E51/OPD-HAA、E51/DAT-HAA和E51/TMP-HAA。再利用氧化铈、硅纳米粉体为增强体制备了六个环氧树脂基纳米复合材料体系,分别为OPD-HAA/CeO2、DAT-HAA/CeO2、TMP-HAA/CeO2、OPD-HAA/Si、DAT-HAA/Si和TMP-HAA/Si。利用红外光谱(FTIR)和差示扫描量热仪(DSC)研究了树脂和纳米复合材料的固化行为,利用TGA、万能拉力试验机、冲击试验机和SEM研究树脂材料和复合材料的热稳定性、力学性能和断裂形貌。
上述丙烯酰胺均能使环氧树脂在室温下发生交联固化,且固化产物的热稳定性、力学性能优于脂肪族室温固化剂。三种树脂体系的T5、T10分别在150℃和230℃左右,弯曲强度均高于30MPa,拉伸强度均大于38MPa。其中TMP-HAA表现最佳,800℃下残炭率高达12%,弯曲强度为71.1MPa,拉伸强度为58.2MPa,断裂伸长率为5%。
利用CeO2和Si纳米粒子的小尺寸效应和表面羟基作用提高树脂自身的交联密度,以及纳米粒子的表面作用增强了粒子与树脂的结合力,制备出颗粒增强的环氧树脂基纳米复合材料。由热性能测试可知,随着CeO2和Si纳米粉体添加量的增加,复合材料的热稳定性稳步提高,当添加量为35%(质量比)时,体系热稳定性最佳,CeO2纳米粒子对三种固化体系的T5、T10和Yc分别平均提高了94℃、117℃和30.57%;Si纳米粒子对三种固化体系的T5、T10和Yc分别平均提高了76℃、102℃和27.32%。
力学性能测试中发现,添加CeO2和Si纳米粉末后三种固化体系的弯曲性能、拉伸性能和抗冲击性能均有提高。其中氧化铈纳米为增强体时,TMP-HAA/CeO2体系力学性能最佳,弯曲强度达到129.2MPa比纯树脂(E51/TMP-HAA)提高了81.7%;抗冲击性能为37.9kJ/m2比纯树脂(E51/TMP-HAA)提高了58.5%;拉伸强度为103.8MPa比纯树脂(E51/TMP-HAA)提高了78.3%。硅纳米为增强体时,DAT-HAA/Si体系力学性能最佳,弯曲强度达到86.9MPa比纯树脂(E51/DAT-HAA)提高了188.7%;抗冲击性能为99.5kJ/m2比纯树脂(E51/DAT-HAA)提高了71.8%;拉伸强度由为103MPa比纯树脂(E51/DAT-HAA)提高了106%。