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表面改性硅灰石增韧环氧树脂的研究

摘要:采用硬脂酸和两种硅烷偶联剂分别对硅灰石进行了表面改性,研究了不同改性剂的改性效果及不同用量的改性硅灰石对环氧树脂复合材料力学性能的影响:并对硅灰石增韧环氧树脂复合材料冲击断面形貌进行了分析。结果表明:硬脂酸改性硅灰石的改性效果最好,其改性表面接触角最大可达140。与环氧树脂的相容性得到改善,复合材料的韧性明显提高。当硬脂酸改性硅灰石用量为环氧树脂质量的lO%时,拉伸强度提高47.79%,冲击强度提高47. 95%。    


坏氧树脂是一种应用非常广泛的基体树脂,固化过程收缩率小,固化产物具有优异的耐热性、耐化学腐蚀性、耐老化性,电性能好,机械强度高和对基材的黏附性能好,是热固性树脂中用量最大的品种之一,在胶黏剂、涂料、密封胶和复合材料方面有广泛应用。但也存在固化产物脆性大、韧性差、耐疲劳性不足等,难以满足工业需求,使其使用受到限制,因此需要对环氧树脂进行增韧改性。

目前,对环氧树脂增韧的方法很多。硅灰石是一种无机针状或放射状矿物,其主要化学成分为CaSi03,广泛虚用于塑料、橡胶、油漆、涂料等领域,可增加制品的硬度、弯曲强度、冲击强度,提高制品热稳定性和尺寸稳定性,具有发展前途。但硅灰石与有机聚合物也存在相容性的问题,共混时在聚合物中分散不均,工艺性变差,导致制品力学性能下降,限制了硅灰石在聚合物中的应用。因此需要对硅灰石进行表面改性,改善其与聚合物的相容性,提高其分散性和加工成型性,增强其与聚合物界面结合力,提高材料的机械性能和降低生产成本。硅灰石表面含有Si-0键和Si-OH键,能与硅烷偶联剂形成化学键和作用,这是对硅灰石进行表面改性的基础。本研究采用微米级改性硅灰石对环氧树脂进行增韧改性,研究硅灰石表面改性方法及改性硅灰石用量对环氧树脂的力学性能的影响。

l实验部分

1.1试验原料

硅灰石:1250目,长径比15:1-17:1,江西奥特精细粉体有限公司:双酚A型环氧树脂:GELR-127,台湾宏昌公司:固化剂甲基四氢苯酐( METH-PA),浙江嘉兴清洋化工有限公司:促进剂(AO-1):上海壮景化工有限公司:引发剂(一缩二乙二醇):上海凌峰化学试剂有限公司:偶联剂( KH550、KH560):上海九邦化工有限公司:硬脂酸1.2试验设备真空烘箱:DAF-6050,上海一恒科技有限公司;

电磁搅拌机:JJ-I精密增力电动搅拌器:三辊研磨机:QGM-65,上海精密仪器仪表有限公司;接触角测试仪:JC2000D3,上海中晨数字技术设备有限公司;压片机:HY -12,天津天光光学仪器有限公司:扫描电镜:JSM-6360LV,日本JEOL公司:拉力机:CMT5202,深圳市新三思材料检测有限公司:冲击试验机:JB-300B,上海久滨仪器有限公司:

1.3硅灰石的表面改性

1.3.1  改性方案

称取一定量的硅灰石(使用前在120℃干燥12h),加入三口烧瓶,烧瓶固定于恒温水浴锅中,在80℃水浴中活化30 min,搅拌速度为800 r/min。将一定量的改性剂缓慢加入烧瓶中,同时搅拌20 min,降至室温,即得到干法改性粉体。

1.3.2改性效果评价

沉降体积法:称取2g改性硅灰石置于25 mL量筒中,加入20 mL苯,强力搅拌1 min,静置30 s后读取界面高度。在相同条件下,界面高度越大,说明改性效果越好。

接触角:称取2g硅灰石粉压片,用JC2000D3型接触角测试仪测量改性硅灰石与水面接触角。与未改性硅灰石相比,接触角变大,说明改性硅灰石亲油性增强,旦接触角越大改性效果越好。

1.4  改性硅灰石增韧环氧树脂

1.4.1  实验方案

称取一定量的改性硅灰石加入环氧树月旨中,使用三辊研磨机研磨3 h,使硅灰石充分分散,制成一定固含量的环氧树脂,改性硅灰石母料。按计量比加入环氧树脂、固化剂和促进剂等,加入到500 mL三口烧瓶中,在85 cc水浴中搅拌1h,趁热倒入模具,将模具置于真空烘箱中在85℃、-71 kPa条件下脱气泡l h,升温至120℃、-51 kPa,预固化1 h,升温至150℃、-51 kPa后固化2h,缓慢冷却至室温,脱模,取出样条进行力学性能测试。

1.4.2材料性能检测

按GB /T 1043.1-2008进行无缺口冲击强度测试:按GB /T 2568-1995进行拉伸强度测试。采用扫描电镜观察环氧树脂冲击断面形貌。

2结果与讨论

2.1  改性剂用量对硅灰石表面改性的影响

分别加入质量分数(占硅灰石质量)为O%、石进行表面改性。样品在二甲苯中沉降体积和接触角分别如图l和图2。从图1和图2可以看出,随改性剂用量的增加,改性效果提升很快,硬脂酸用量为2%,硅烷偶联剂KH550用量为2.5%,KH560用量为2%时改性效果最好。

2.2改性硅灰石增韧环氧树脂

硅灰石用量对增韧环氧树脂冲击强度和拉伸强度的影响。从图中可以看出,环氧树脂复合材料的拉伸强度和冲击强度随改性硅灰石加入量的增加先升后降。改性硅灰石用量为环氧树脂用量的10%时,改性效果最好,且硬脂酸改性硅灰石增韧效果最佳,硅烷偶联剂KH550改性硅灰石增韧效果次之。空白环氧树脂复合材料的拉伸强度为62.57 MPa,冲击强度为12.43 kj/m2。当硬脂酸改性硅灰石的加入量为10%时,拉伸强度达到92.47 MPa,冲击强度为21.07 kj/m2,均有明显提高。当改性硅灰石用量超过10%时,随硅灰石用量的增加,拉伸强度和冲击强度逐渐降低,这是由于硅灰石用量过多时易发生团聚,造成应力集中,体系受力不均,导致力学性能下降。

硅灰石增韧环氧树脂体系断面形貌的到分散应力和吸收能量的作用:2)硅灰石在环氧树脂基体中作为应力集中点,在基体受到冲击时引发周围树脂基体屈服,产生裂纹,吸收大量能量,同时刚性粒子会阻止裂纹的扩展,避免基体的破坏。硅灰石的表面改性效果虽然与改性环氧树脂复合材料机械强度没有直接关系,但改性硅灰石增韧环氧树脂体系拉伸强度和冲击强度均有明显改善。

3  结论

1)硬脂酸、硅烷偶联剂KH550相KH560对硅灰石的改性效果为:硬脂酸优于硅烷偶联剂KH550,硅烷偶联剂KH550优于硅烷偶联剂KH560。

2)与未经改性处理的硅灰石相比,改性硅灰石与环氧树脂相容性提高,界面性能改善。改性硅灰石可以显著提高环氧树脂复合材料的拉伸强度和冲击强度。

3)与纯环氧树脂和未改性硅灰石增韧环氧树脂相比,改性硅灰石增韧环氧树脂冲击断面呈现韧性断裂,硅灰石在环氧树脂中分散程度提高。

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