木质素改性环氧树脂的制备及性能研究

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为实现木质素的高值化利用,探索木质素改性合成环氧树脂的新思路,本文以制浆造纸工业提取的木质素磺酸盐(LS)为原料,通过对其进行羧化改性,成功制备了均一性良好的木质素改性环氧树脂复合体系,并对其化学结构、固化反应动力学、热稳定性、力学性能、形貌和形状记忆性能进行了深入系统的研究,主要结果如下:(1)在乙二醇(EG)的协同溶解作用下,成功地将LS均匀分散到环氧树脂基体中;通过LS和EG中羟基与酸酐的酯化反应,将刚性LS和柔性EG链同时引入到环氧树脂交联网络结构中;通过改变LS和EG组分比例,有效地调控了固化样品的结构与最终性能;对木质素改性环氧树脂体系的固化反应和动力学进行了系统分析,最终确定了最优固化工艺为120oC/5h+170oC/1h。(2)LS-EG协同改性的环氧树脂体系于最优固化工艺下发生固化反应后,分别采用热重分析仪、万能力学试验机、摆锤式冲击试验机、扫描电子显微镜和U型形状记忆测试研究了固化样品的热稳定性、力学性能、断面形貌和形状记忆性能。结果表明,LS和EG同时引入环氧树脂后,初始分解温度升高,热失重率减少,残炭余量增加。说明添加LS和EG后环氧树脂固化物的热稳定性增强。与纯环氧树脂相比,经LS-EG改性后,环氧树脂体系(epoxy/LS0.5-EG0.5)的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和冲击强度分别提高了23.1%、37.5%、18%和15.1%。此外,LS和EG改性环氧树脂体系表现出优异的形状记忆性能和机械稳定性。(3)对LS进行羧化改性,得到羧化LS(CLS)。以水为溶剂,将CLS均匀分散到由双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)和聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)组成的环氧树脂基体中,成功制备了CLS改性的环氧树脂。系统研究了CLS含量对环氧树脂体系的固化反应动力学、力学性能、断面形貌和形状记忆性能的影响。结果表明,CLS的引入使得CLS/epoxy复合材料的力学性能显著提高。尤其是当CLS含量为5phr(CLS5/epoxy)时,其拉伸强度、模量、断裂伸长率和韧性分别提高了23.8%、18.2%、217%和113%。SEM结果表明,当CLS含量较低(如1 phr)时,断面形貌为均相,未见相分离的产生。然而,随着CLS含量的增加,断面出现了明显的相分离结构,形成了CLS颗粒分散于环氧树脂中的海岛状结构。CLS分散相作为环氧树脂基体中的物理交联点,能够抑制受力样品裂纹的产生,改变裂纹的扩展方向,从而使环氧树脂获得更大、更强的韧性。同时,CLS刚性链段的引入,阻碍环氧树脂链段的运动,从而提高其机械稳定性,在一定程度上减缓了环氧树脂网络的形状记忆恢复速率。适量的CLS对环氧树脂具有同时增强和增韧的作用,这主要归因于环氧树脂基体中刚性木质素结构的引入和相分离结构的形成。
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