论文部分内容阅读
聚合物基纳米复合材料近些年受到国内外学术界及工业界的广泛关注,已成为通用聚合物高性能化的一个新的途径。通过添加纳米填料(纳米粘土、纳米金刚石及石墨烯等)实现聚合物性能的提高有两个关键的因素:一是使纳米填料在聚合物基体均匀分散;二是需要在聚合物基体与纳米填料之间构建适当强度的界面作用力。但纳米填料在聚合物基体中极易发生团聚,反而导致材料性能劣化。选用适当的用有机修饰剂对纳米填料进行改性,并采取特殊的材料制备工艺是解决这两个关键问题的有效手段。本文以环氧树脂(EP)为基体。选用不同性质的有机修饰剂对纳米填料(粘土,纳米金刚石)进行改性,制备具有不同性质的有机化纳米填料,进而在EP基体与纳米填料之间构建起不同强度的界面作用力。通过“淤浆复合法”这种新的制备工艺实现纳米填料在EP基体中的良好分散。在此基础上,探究EP基纳米复合材料的界面作用力对其热/机械性能的影响。主要研究结果如下:1.采用单端氨基质子化的聚醚胺(Jeffamine D230)和质子化的聚醚胺Jeffamine D600修饰粘土,分别得到两种有机化粘土D230-Clay和D600-Clay。以双酚A环氧树脂(E51)/丁二醇缩水甘油醚(BDGE)混合物为基体材料,采用“粘土-淤浆复合法”合成了两种具有几乎相同剥离结构但界面作用力不同的柔性环氧树脂/粘土纳米复合材料。研究结果表明:两种有机粘土改性的环氧树脂的玻璃化转变温度T_g都较纯环氧树脂的T_g有很大提升。当粘土质量分数为3%时,D230-Clay改性的环氧树脂T_g提高了87.89%,D600-Clay改性的环氧树脂的T_g提高幅度为46.51%。当粘土质量分数为3.5%时,D230-Clay改性的环氧树脂拉伸强度提高了3.6倍,拉伸模量提高了2.19倍,断裂伸长率提高了11.65%;D600-Clay改性的环氧树脂拉伸强度提高3.04倍,拉伸模量提高1.83倍。断裂伸长率提高了19.65%。表明这两种修饰剂修饰过的有机化粘土的加入使得柔性环氧树脂的强度、模量及韧性获得了同步提升。比较而言,D230-Clay比D600-Clay更能有效提高环氧树脂的力学性能。这归因于D230-Clay上保留的氨基可参与环氧树脂的固化反应,从而通过化学键在粘土片层与环氧树脂基体之间构建了较强的界面作用力,而D600-clay与环氧树脂基体间只有氢键作用力。2.选用盐酸多巴胺作为有机修饰剂,制得多巴胺插层粘土(D-Clay),通过“粘土-淤浆复合法”,制备出了D-Clay分散良好的EP/D-Clay纳米复合材料。研究结果表明:与纯EP相比,EP/D-Clay纳米复合材料的T_g和机械性能(如拉伸强度,拉伸模量和硬度)都获得了比较显着的增加。当D-Clay质量分数为3%时,T_g提高了10.09℃,拉伸强度提高了29.34%,拉伸模量提高了23.19%,当D-Clay质量分数为4%时,硬度提高了53.87%,热分解温度提高了25℃。这是由于盐酸多巴胺修饰的粘土D-Clay表面所带有的羟基能与EP基体形成氢键,从而在环氧树脂基体和纳米填料之间构建出较强的界面作用力;粘土片层在EP基体中的均匀分散也是纳米复合材料性能提高的一个重要因素。此项工作,为制备具有良好热/机械性能的各种聚合物基纳米复合材料,提供了一种新型填料(D-Clay)。3.选用盐酸多巴胺来修饰纳米金刚石(ND)得到多巴胺包覆纳米金刚石(D-ND),通过淤浆法成功制备出D-ND均匀分散的EP/D-ND纳米复合材料。研究表明:经D-ND改性后的EP,综合性能明显优越于纯EP,表现为在D-ND质量分数为3%时,拉伸强度提高12.22%、拉伸模量提高19.57%、伸长率提高了38.37%、热分解温度提高26℃、硬度提高了25.15%;1 wt%D-ND含量复合材料具有最好的摩擦学性能,摩擦系数降低11.36%,磨痕深度降低20.93%,磨损率降低37.67%。这些性能的提升归因于D-ND表面所带有的羟基与EP基体具有氢键作用,在EP基体与D-ND见建立了较强的界面作用,从而赋予EP/D-ND纳米复合材料更为优异的性能。