水性环氧树脂纳米二氧化硅（SiO2）复合材料制备研究

汪在芹 李珍 魏涛 蒋硕忠 刘崇熙

文章摘要:研究了纳米SiO2粒子用量对复合材料性能的影响，纳米粒子分散状况及所得复合材料的物理和化学性能，并按照作者建立的制备方法制备出性能优良的水性环氧树脂纳米二氧化硅(SiO2)复合材料。
文章主题:复合材料 纳米Si02 环氧树脂 制备 热固性树脂

文章内容：2004年6月长江志季刊科学研究专辑水性环氧树脂纳米二氧化硅(2)复合材料制备研究汪在芹李珍魏涛蒋硕忠刘崇熙摘要研究了纳米2粒子用量对复合材料性能的影响,纳米粒子分散状况及所得复合材料的物理和化学性能,并按照作者建立的制备方法制备出性能优良的水性环氧树脂纳米二氧化硅(2)复合材料.关键词复合材料纳米2环氧树脂制备方法环氧树脂具有在固化反应过程中收缩率小.固化物粘接性,耐热性,耐酸碱性和机械性能优良等特点,是热固性树脂中应用量较大的一个品种.因其性能可满足水工材料的一些特殊要求.因而在水利工程中有着极为广泛的应用前景,如用作抗冲耐磨材料,混凝土涂层材料,化学灌浆材料等.但随着水工建设的发展需求,对环氧树脂的技术要求越来越高.其中尤以解决环氧树脂的老化(耐候性),增强增韧等问题最为迫切.传统的环氧树脂改性,主要通过对环氧低聚物和固化剂的选择来实现,但改性效果不理想,而且不能同时解决耐候性和增加强度,韧性等问题.纳米材料是2世纪8年代发展起来的新型材料,因其具有广阔的应用前景而被美国材料协会誉为"21世纪最有前途的材料",聚合物基纳米复合材料以其优异的性能受到人们的普遍关注.国内外已经有在实验室制备出环氧树脂/纳米粒子复合材料的报道,但如何解决纳米颗粒在环氧树脂基体中的均匀分散问题,提高制备水平和制备效率,依然有待进一步的研究.本文主要研究环氧树脂/纳米二氧化硅(2)分散技术,制备工艺,改性机?64?(总第529页)理等,针对混凝土病害修补和化学灌浆,对环氧树脂基纳米2复合材料的物理和化学性能进行探索性研究.一,复合材料制备1.原材料水性环氧树脂纳米复合材料配方成分多达10余种.依据功能可以分为基料,固化剂,溶剂,颜料,填料,助剂等类型,主要包括环氧树脂,固化剂,硅烷偶联剂,纳米粒子等(主要原材料表略).2.仪器设备(1)超声波清洗机.100型.清洗槽尺寸为235毫米×135毫米100毫米,广州维力超声电子设备有限公司.(2)高速分散机.,一0.4高速分散机,最高转速14000转/分钟,上海现代环境工程技术研究所.(3)粒度分析仪.英国马尔文纳米粒度及分子大小分析仪,型号5001.(4)红外光谱仪(兀').美国—公司生产的——汪在芹,李珍,蒋硕忠,刘崇熙:水性环氧树脂纳米二氧化硅(2)复合材料制备研究2000型傅立叶红外光谱仪.(5)扫描电子显微镜().日本日立公司,型号一57.(6)热重分析仪().德国公司,型号209.(7)差热分析仪().德国公司,型号204.(8)老化试验仪.美国—公司生产的人工加速老化试验仪.3.制备方法以制备的纳米改性环氧树脂为组分,水性胺固化剂为组分,根据环氧当量和胺氢当量,确定合适的组分与组分的用量比,制得纳米改性环氧树脂复合材料.典型的双组分水性环氧树脂纳米复合材料配方见表1.表双组分水性环氧树脂纳米复合材料配方环氧组分(组分)用量(%)(288.5活性稀释剂1.9纳米二氧化硅.5硅烷偶联剂微量固化剂组分(组分)用量(%)—?8535———.509.润湿分散剂(—.7%消泡剂①75.5%增稠剂德特隆()19(1%溶液)1.一706.9重钙3.5云母粉8.6硫酸钡20.1成膜助剂.6水5.4(1)组分制备.在超声波的作用下,将纳米粒子加入到硅烷偶联剂与环氧活性稀释剂的混合溶液中混合均匀,然后在高速分散机的作用下与环氧树脂混合均匀.(2)组分制备.在搅拌的情况下,将水性胺固化剂与去离子水混合,依次加入润湿分散剂,消泡剂等,中速搅拌20分钟.然后根据需要,加入各种颜料和填料,高速搅拌至所需粒度,再根据需要,加入增稠剂或稀释剂调节至合适粘度.二,实验结果与讨论1.纳米,粒子用量对环氧树脂性能的影响随着纳米2粒子用量的增大,环氧复合材料的冲击强度,拉伸强度和断裂伸长率均随之而增大.当纳米粒子用量达到3%时,环氧树脂复合材料的力学性能达到最佳,这时材料的冲击强度提高了66%,拉伸强度提高了52%,断裂伸长率提高了9%.纳米2粒子使复合材料的冲击强度得以大幅度提高,说明纳米2粒子与环氧树脂具有较好的相容性.但当纳米2粒子量的用量超过5%时,改性后的环氧树脂复合材料的断裂伸长率,拉伸强度低于未改性的环氧树脂.2.红外光分析'&;)图是纳米改性环氧树脂①828和胺固化剂固化后的红外光谱图,图2是环氧树脂①828的红外光谱图.在波长971厘米处出现了—的特征峰,且在波长1084厘米存在线型——键的特征峰,这是由于纳米2粒子改性引起的.说明加入了纳米2粒子改性后的复合材料在此两处的吸收强度均有所增强.分析比较波长/-'图纳米改性环氧树脂和胺固化后的红外光谱图<>65?(总第1530页)24年6月长江志季刊科学研究专辑一田3蚋米()击能,提高了冲击强度.此外,对于纳米0'粒子在基体中分教性较好,聚集态尺寸小的复合体系,从图4中可观察到许多擞空穴和檄裂纹,它们的产生都吸收了大量的外界能量,使得纳米粒子对基体树脂起着增强增韧作用.4.热重分析()未加纳米02粒子的环氧复合材辩和经纳米啦粒子改性的环氧复合材料热重分析()测定结果分别见图5和图6.未加纳米粒子的复合材瓣在最大分解速率时的温度是371.2℃,经纳米粒子改性的环氧复合材辩的最大分散速率时的温度是375.4℃.纳米粒子的加入对环氧复合材料体系的耐热性略有提高.这是由于纳米粒子和有机楣存在强捅互作用,从而提高了环氧树脂分子链在加热过程中断裂所需要的能量,而且由于硅烷偶联剂的加入.促进了纳米粒子表面与聚合物的结合,界面粘接更好,从而使环氧树脂/纳米粒子复合材料体系的耐性得到了提高田4蚺来馥性后的环曩树_】田6经蚺米改性的环曩错磨(1_曾田?66?(总第1531页)疰在芹,李珍,蒋硬惠,刘崇麋:水性环氯树脂纳米二氯化硅(02)复合材粹制备研究5.差热分析()对纳米粒子改性的环氧复合材料(样板一2)及未加纳米2粒子改性的环氧复合材科(样板一1)进行了差热分析(),测试结果列于表2.从测试结果可以看出,样板—的玻璃化温度()低于样板一2的玻璃化温度().因此可