环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的制备与性能研究

论文摘要

聚合物/无机物纳米复合材料由于其独特的性能成为目前乃至将来材料研究的热点之一。它部分克服了单一材料和传统复合材料性能上的缺陷,使材料既具有无机材料的优点,如刚性和高热稳定性等,又同时具有聚合物材料的优点,如弹性、介电性、延展性和可加工性等,从而产生许多特殊的性能。二氧化硅纳米粒子凭借其高热稳定性、刚性和模量等优点,是最早用于制备有机/无机纳米复合材料的无机物之一,它的加入可以提高聚合物的热稳定性和机械性能等。而环氧树脂作为最常用的一种热固性树脂材料,由于具有优异的粘接性能、电绝缘性能、耐化学腐蚀性能、收缩率低、高强度高模量、成本低廉等优点,使其在电子、电气、机械制造、化工防腐、航空航天、船舶运输及其他许多工业领域中起到重要的作用,已成为各工业领域中不可缺少的基础材料,但是由于其固化后交联密度高、造成内应力大、质脆,以及耐热性差、热膨胀系数高等不足而限制了环氧树脂的进一步应用。基于以上这些研究背景和发展要求,本论文选用环氧树脂/二氧化硅纳米复合的方法,通过控制二氧化硅纳米粒子在环氧树脂体系中的分散性,提高二氧化硅与环氧树脂的界面作用,来改善材料的耐热性能、提高材料的韧性,以期获得具有高热稳定性和韧性的环氧树脂材料,主要开展了以下两个方面的研究工作:（1）通过结合溶胶-凝胶法和纳米粒子共混的方法制备一种耐热型的环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料,使得纳米二氧化硅与环氧树脂基体之间具有较强的界面相互作用,并通过红外（FTIR）、动态力学分析（DMA）、扫描电子显微镜（SEM）和热失重分析（TGA）等于段研究了复合材料的热机械性能,包括储存模量、损耗角正切值,以及复合材料的热分解性能和热膨胀性能。发现通过引入大量的硅烷偶联剂GPTMS来改善纳米二氧化硅在环氧树脂体系中的分散性,提高环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的交联密度,并通过加入纳米二氧化硅进一步改善材料的热力学性能,最终可以制备得到高耐热性能的环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料,具有作为电子封装材料使用的潜力。（2）通过原子转移自由基聚合（ATRP）的方法在二氧化硅表面接枝聚合聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,制备一种无机粒子大小均一、聚合物分子量可控的结构清晰的核壳结构粒子,将其添加到环氧树脂中制备成复合材料,主要通过拉伸测试、扫描电子显微镜（SEM）、动态力学分析（DMA）和热失重分析（TGA）等手段考察材料的拉伸强度、拉伸断裂能、储存模量、玻璃化转变温度和热分解温度等性能以研究其对环氧树脂的韧性和热性能的影响,包括无机粒子二氧化硅的大小、表面聚合物的接枝量和PMMA的分子量等因素的影响。结果表明,表面接枝PMMA的二氧化硅由于裂纹钉铆效应和桥联约束作用而能很好地起到增韧的效果,提高材料的拉伸强度和拉伸断裂能,同时又不会像橡胶弹性体或者热塑性树脂增韧环氧树脂那样以牺牲材料的热力学性能和热稳定性为代价。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 环氧树脂
• 1.2 环氧树脂耐热性的提高
• 1.2.1 改变环氧树脂或固化剂的结构
• 1.2.2 有机硅改性环氧树脂
• 1.2.3 纳米材料改性环氧树脂
• 1.3 环氧树脂的增韧
• 1.3.1 橡胶弹性体增韧
• 1.3.2 热塑性树脂增韧
• 1.3.3 核壳聚合物增韧
• 1.3.4 热致液晶聚合物增韧
• 1.3.5 弹性体和环氧树脂形成互穿网络聚合物（IPN）增韧
• 1.3.6 无机纳米粒子增韧
• 1.3.7 各种增韧方法的优缺点
• 1.4 有机/无机纳米复合材料
• 1.4.1 混合法
• 1.4.2 溶胶-凝胶法
• 1.4.3 插层复合法
• 1.4.4 原位聚合法
• 1.4.5 环氧树脂基纳米复合材料
• 1.5 本论文研究工作设计
• 第二章 环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的制备及其热性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 材料与试剂
• 2.2.2 环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的制备
• 2.2.3 环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的红外光谱
• 2.3.2 环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的动态力学性能
• 2.3.3 环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的断面形貌
• 2.3.4 环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的热分解性能
• 2.3.5 环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料的线性热膨胀系数
• 2.4 本章小结
• 第三章 表面接枝聚合物的二氧化硅增韧环氧树脂的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料与试剂
• 3.2.2 表面接枝PMMA的二氧化硅/环氧树脂复合材料的制备
• 3.2.2.1 二氧化硅粒子的制备
• 3.2.2.2 偶联剂3-（2-溴异丁酰胺基）丙基三乙氧基硅烷（BIBAPTES）的制备
• 3.2.2.3 二氧化硅的表面处理
• 3.2.2.4 二氧化硅表面的原子转移自由基聚合反应（ATRP）
• 3.2.2.5 环氧树脂/二氧化硅复合材料的制备
• 3.2.3 环氧树脂/二氧化硅复合材料的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 表面接枝PMMA的二氧化硅的结构
• 3.3.1.1 傅立叶变换红外光谱
• 3.3.1.2 热失重分析
• 3.3.1.3 扫描电子显微镜
• 3.3.1.4 凝胶色谱
• 3.3.2 环氧树脂/二氧化硅复合材料的韧性
• 3.3.3 环氧树脂/二氧化硅复合材料的断面形貌
• 3.3.4 环氧树脂/二氧化硅复合材料的热性能
• 3.3.4.1 环氧树脂/二氧化硅复合材料的热力学性能
• 3.3.4.2 环氧树脂/二氧化硅复合材料的热分解性能
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 作者简历
• 致谢