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无机纳米材料为环氧树脂改性带来极大利好
2014年11月18日 发布 分类:行业要闻 点击量:4502
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      环氧树脂作为综合性能优异的热固性树脂得到广泛应用,但是它固化产物性脆、耐冲击性差、易开裂、不耐疲劳,对其进行各种改性以提高其性能成为环氧树脂研究的热点。橡胶或热塑形弹性体可大幅度提高环氧树脂的冲击强度,但却以拉伸强度下降为代价;增强纤维可大幅度提高环氧树脂的拉伸强度,但冲击强度和断裂伸长率下降;液晶高分子原位复合增强技术可使环氧树脂的拉伸强度和冲击强度改善,但断裂伸长率下降。相比之下纳米无机粒子由于纳米尺寸效应,巨大的比表面积和强的界面作用,与环氧树脂复合后可使无机物的刚性,尺寸稳定性和热稳定性与环氧树脂的韧性,加工性揉合在一起,表现出增韧与增强的同步效应,充分显示了纳米级填料改性的优越性。 


      纳米粒子的结构、粒径、比表面积、表面粗糙度,及粒子表面所含的官能团等将影响纳米粒子的补强性。纳米炭黑的AFM照片中可以看出,炭黑粒径约30~50nm,表面比较粗糙,比表面积比较大,表面所含的官能团较多,它能与基体材料发生化学反应形成网络结构,这种网络结构是赋予复合材料强度的最基本结构因素。据专家介绍,所形成的网络结构越多,对基体材料的化学结合及物理吸附作用就越强。 


      纳米粒子由于特殊的小尺寸效用,可能有利于增加其与环氧树脂之间的混溶性,根据扩散理论,粘合强度主要决定于2种物质之间的混溶性。混溶性越大粘合强度越高。纳米粒子的表面效应使纳米粒子的比表面积、表面能及表面结合能迅速增大,因为表面原子的增多,原子配位不满及较高的表面能,因而产生许多缺陷而呈现很高活性,易于与环氧树脂产生键合,和产生一系列其他可导致强度增大的化学及物理作用。专家表示,另外由于纳米粒子极易团聚,因而复合前须对其进行表面处理,过程中引入的有机化基团可增加纳米粒子与环氧树脂的亲和性,所有这些作用都有利于纳米粒子与环氧树脂的复合。 


      无机纳米粒子填充改性环氧树脂的制备主要是通过共混法,它通过不同的物理或化学方法将纳米粒子与环氧树脂充分混匀形成复合材料。共混法可分为物理和化学2种方法:物理法是通过如球磨、研磨、胶体磨和超声波法等分散纳米粒子,其中超声波法效果较好;纳米粒子由于纳米效应在混合的过程中易发生团聚,而环氧树脂的黏度又很大,为使纳米粒子能够达到良好的分散,大多通过使用偶联剂对其进行表面改性,也就是通过物理吸附或化学吸附改善纳米粒子的表面可润湿性,增强纳米粒子在环氧树脂中的界面相容性,使纳米粒子在环氧树脂中均匀分散,获得良好的纳米效应,即所谓的化学法。纳米无机粒子的存在赋予环氧树脂很高的力学性能,其强度、刚度、韧性、耐热性都有很大提高,具体表现在材料的冲击强度、拉伸强度、弹性模量的增大及玻璃化温度的提高。 


      纳米粒子的改性机理具有明显特征,专家认为主要包括:无机纳米粒子具有能量传递效应,使基体树脂裂纹扩展受阻和钝化,最终终止裂纹,不致发展为破坏性开裂;随着纳米粒子粒径的减小,粒子的比表面积增大,纳米微粒与基体接触面积增大,材料受冲击时产生更多的微裂纹,吸收更多的冲击能;无机纳米粒子具有应力集中与应力辐射的平衡效应,通过吸收冲击能量,使基体无明显的应力集中现象,达到复合材料的力学平衡状态;若纳米微粒用量过多或填料粒径较大,复合材料的应力集中较为明显,微裂纹易发展成宏观开裂,造成复合材料性能下降;基体中的无机纳米粒子作为聚合物分子链的交联点,对复合材料的拉伸强度及玻璃化温度的提高有贡献。 


      采用混合法制备的环氧纳米复合材料有纳米CB/环氧、纳米SiO2/环氧、纳米TiO2/环氧、纳米Al2O3/环氧、纳米BaTiO3/环氧等。环氧树脂/无机纳米复合材料具有优异的力学、耐热、耐腐蚀性和尺寸稳定性。此外,还有许多其他优异性能,在电子学、光学、机械、生物学、医学等领域将显示出更广阔的应用前景。据专家介绍,环氧树脂基无机纳米复合材料的开拓,反映了先进的纳米材料技术对传统通用产品的有效改性,它为环氧树脂的功能化和高性能化开辟了一条新的广阔发展道路。

(来源:国家树脂网)


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