界面对氰酸酯树脂复合材料性能的影响研究

论文摘要

界面是复合材料的重要组成部分，其结构和性能直接影响复合材料的性能。偶联剂有利于提高增强材料与树脂之间的界面结合强度。本论文在选定介电性能优异的氰酸酯树脂为基体、以玻璃纤维和纳米二氧化硅为增强材料的基础上，首先设计并合成了一种小分子硅烷偶联剂SCA-1和一种三元共聚物大分子偶联剂SCA-3，对其合成工艺进行了优化，，并利用红外光谱、核磁光谱和元素分析、凝胶渗透色谱等进行了表征，并研究了两种偶联剂的溶解性和介电性能。其中SCA-1的收率比资料报道的提高15％，而SCA-3在国内外属于首次合成，具有合成工艺简单、分子量分布窄、介电常数和介电损耗大等特点，在压电材料领域具有潜在的优势。第二，用合成的小分子SCA-1与常用的KH-550以及大分子SCA-3处理E-玻璃纤维，研究了不同的处理工艺对玻璃纤维的表面特征的影响。结果表明，偶联剂处理可提高纤维表面的憎水性和与氰酸酯树脂溶液的浸润性，其顺序均为大分子SCA-3处理的＞SCA-1处理的＞KH-550处理的。利用Fowkes-Good几何方程和Young-Dupre方程计算了玻璃纤维的表面自由能及其与氰酸酯树脂之间的粘附功。结果表明，E-玻璃纤维的表面自由能降低，其顺序为SCA-3处理的＜SCA-1处理的＜KH-550处理的，原因在于分子结构的不同，引起其极性下降。第三，以双酚A型氰酸酯树脂（CE）为基体、以E-玻璃纤维为增强材料制备高性能E-玻璃纤维／CE透波复合材料，在分析CE固化动力学的基础上，确定了复合材料的制备工艺，研究了三种偶联剂SCA-1、KH-550和SCA-3对复合材料力学性能、介电性能和吸水性的影响。利用动态力学分析（DMA）对复合材料界面结合强度和界面相的均匀性进行了研究。结果表明，用SAC-1制成的复合材料界面结合强度高，界面相均匀性好，用SAC-3制成的复合材料在界面性能较差，从而影响到复合材料的宏观性能。与KH-550相比，以小分子SCA-1制备的复合材料的力学性能、介电性能和耐水性较好，大分子SCA-3的力学性能和介电性能较小，但水对其介电性能影响较小。并利用SEM对界面断裂形貌进行了分析，其结果与DMA分析相一致。第四，用环氧基氨基硅烷偶联剂KH-560和大分子SCA-3改性纳米SiO2表面，制备纳米SiO2／CE复合材料研究了不同改性对纳米SiO2／CE复合材料力学性能、介电性能、热性能和摩擦性能的影响。纳米SiO2经偶联剂SCA-3和KH-560处理后，其改性效果增强，特别是经大分子SCA-3处理后的复合材料在静态力学性能、动态力学性能、耐热性和减摩耐磨擦性方面显示出更好的效果。SEM显示原因在于SCA-3处理后的纳米SiO2在基体CE中的分散性更好。DMA分析表明SCA-3处理后的纳米SiO2／CE复合材料的对界面粘结强度更大，并从化学结构上进行了解释。这些研究结果为选择适合于一定环境条件下使用的偶联剂和合成新型的功能偶联剂提供了重要的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 复合材料的界面研究现状及其进展
• 1.2.1 复合材料的界面理论及界面设计
• 1.2.2 复合材料界面性能和结构的表征
• 1.2.2.1 界面力学性能的表征
• 1.2.2.2 界面化学及其稳定性的表征
• 1.3 偶联剂的合成及其在复合材料中的作用
• 1.3.1 偶联剂的合成现状和进展
• 1.3.2 硅烷偶联剂在复合材料中的作用
• 1.3.2.1 硅烷偶联剂在玻璃纤维增强复合材料中的作用
• 1.3.2.2 硅烷偶联剂在无机粉末增强复合材料中的作用
• 1.4 复合材料透波性能的优化
• 1.4.1 对透波复合材料性能的要求
• 1.4.2 影响透波复合材料介电性能的因素
• 1.4.3 玻璃纤维的性能及其表面改性
• 1.4.3.1 玻璃纤维的性能
• 1.4.3.2 玻璃纤维表面的偶联剂改性
• 1.4.3.3 玻璃纤维表面的稀土元素改性
• 1.4.3.4 玻璃纤维表面的橡胶接枝改性
• 1.4.4 透波复合材料常用的树脂基体
• 1.4.5 透波复合材料的发展趋势
• 1.5 氰酸酯树脂基体的改性
• 1.5.1 采用橡胶类弹性体改性
• 1.5.2 采用热塑性树脂改性
• 1.5.3 采用热固性树脂改性
• 1.5.4 采用无机刚牲粒子改性
• 1.6 选题的意义和研究内容
• 第二章 偶联剂SCA-1和SCA-3的合成
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料和仪器
• 2.2.1.1 主要原料
• 2.2.1.2 主要仪器
• 2.2.2 硅烷偶联剂的合成方法
• 2.2.2.1 小分子偶联剂SCA-1的合成
• 2.2.2.2 大分子偶联剂SCA-3的合成
• 2.2.3 偶联剂的分离与表征
• 2.2.3.1 偶联剂SCA-1和SCA-3的分离
• 2.2.3.2 偶联剂SCA-1和SCA-3表征
• 2.2.3.3 偶联剂SCA-1和SCA-3的介电性能的测试
• 2.2.3.4 大分子SCA-3玻璃化转变温度的测试
• 2.2.3.5 大分子SCA-3的分子量测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 偶联剂的合成原理
• 2.3.1.1 偶联剂SCA-1的合成原理
• 2.3.1.2 偶联剂SCA-3的合成原理
• 2.3.2 偶联剂SCA-1的合成工艺的优化
• 2.3.2.1 原料配比的影响
• 2.3.2.2 合成温度的影响
• 2.3.2.3 反应时间的影响
• 2.3.3 大分子SCA-3的合成工艺优化
• 2.3.3.1 引发剂浓度的影响
• 2.3.3.2 原料配比及其加入方式的影响
• 2.3.3.3 聚合时间的影响
• 2.3.3.4 聚合温度的影响
• 2.3.4 偶联剂的结构分析
• 2.3.4.1 偶联剂的红外光谱分析
• 2.3.4.2 偶联剂SCA-1的元素分析
• 2.3.4.3 偶联剂SCA-3的核磁共振谱分析
• 2.3.4.4 偶联剂SCA-3的DSC分析
• 2.3.5 偶联剂的性能
• 2.3.5.1 偶联剂的溶解性
• 2.3.5.2 偶联剂的介电性能
• 2.4 小结
• 第三章 偶联剂与E-玻璃纤维表面之间的作用
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验用原材料和仪器
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.2.1 玻璃纤维表面处理
• 3.2.2.2 接触角的测量
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 影响偶联剂沉淀量的因素
• 3.3.1.1 溶液的pH对沉淀量的影响
• 3.3.1.2 偶联剂的浓度对沉淀量的影响
• 3.3.1.3 浸泡时间对沉淀量的影响
• 3.3.2 偶联剂对玻璃纤维表面憎水性的影响
• 3.3.2.1 处理温度对玻璃纤维憎水性的影响
• 3.3.2.2 处理时间对玻璃纤维憎水性的影响
• 3.3.2.3 偶联剂的处理浓度对玻璃纤维憎水性的影响
• 3.3.3 偶联剂对玻璃纤维表面形貌的影响
• 3.3.4 偶联剂对玻璃纤维表面能的影响
• 3.3.4.1 计算玻璃纤维表面能的理论依据
• 3.3.4.2 玻璃纤维表面自由能的计算
• 3.3.5 偶联剂对玻璃纤维浸润性的影响
• 3.4 小结
• 第四章 界面对E-玻璃纤维/CE透波复合材料性能影响研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要原材料和仪器
• 4.2.1.1 主要原材料
• 4.2.1.2 实验仪器
• 4.2.2 CE树脂固化动力学分析
• 4.2.2.1 DSC分析
• 4.2.2.2 红外光谱分析
• 4.2.3 E-玻璃纤维/CE复合材料的制备
• 4.2.3.1 E-玻璃布前处理
• 4.2.3.2 涂胶
• 4.2.3.3 模压成型
• 4.2.4 E-玻璃纤维/CE复合材料的性能测试
• 4.2.4.1 静态力学性能的测试
• 4.2.4.2 动态力学性能的测试
• 4.2.4.3 吸水率的测试
• 4.2.4.4 含胶量的测试
• 4.2.4.5 孔隙率的测试
• 4.2.4.6 介电性能的测试
• 4.2.4.7 扫描电镜（SEM）分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 E-玻璃布/CE树脂复合材料制备工艺的确定
• 4.3.1.1 CE树脂固化动力学研究
• 4.3.1.2 CE树脂固化的固化机理
• 4.3.1.3 E-玻璃布/CE树脂复合材料的压制工艺
• 4.3.2 含胶量对复合材料性能的影响
• 4.3.2.1 含胶量对复合材料力学性能的影响
• 4.3.2.2 含胶量对复合材料介电性能的影响
• 4.3.3 界面结构对E-玻璃布/CE复合材料力学性能的影响
• 4.3.3.1 偶联剂的沉淀量对复合材料力学性能的影响
• 4.3.3.2 偶联剂的化学结构对复合材料静态力学性能的影响
• 4.3.3.3 复合材料的断面形貌分析
• 4.3.3.4 E-玻璃布/CE复合材料动态力学性能分析
• 4.3.4 E-玻璃纤维/CE复合材料介电性能研究
• 4.3.4.1 偶联剂的化学结构对复合材料介电性能的影响
• 4.3.4.2 吸水率对复合材料介电性能的影响
• 4.4 小结
• 2/CE树脂复合材料界面改性研究'>第五章 纳米SiO₂/CE树脂复合材料界面改性研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要原材料和仪器
• 5.2.1.1 主要原材料
• 5.2.1.2 主要仪器
• 2/CE树脂复合材料的制备'>5.2.2 纳米SiO₂/CE树脂复合材料的制备
• 2的表面处理'>5.2.2.1 纳米SiO₂的表面处理
• 2/CE复合材料的制备'>5.2.2.2 纳米SiO₂/CE复合材料的制备
• 2/CE复合材料性能测试'>5.2.3 纳米SiO₂/CE复合材料性能测试
• 5.2.3.1 密度ρ的测试
• 5.2.3.2 静态力学性能测试
• 5.2.3.3 动态力学性能分析（DMA）
• 5.2.3.4 热失重分析（TGA）
• 5.2.3.5 介电性能测试
• 5.2.3.6 摩擦磨损性能测试
• 5.2.3.6 扫描电镜（SEM）分析
• 5.3 结果与讨论
• 2及其表面改性对复合材料成型工艺的影响'>5.3.1 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料成型工艺的影响
• 2及其表面改性对复合材料静态力学性能的影响'>5.3.2 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料静态力学性能的影响
• 2含量对复合材料静态力学性能的影响'>5.3.2.1 纳米SiO₂含量对复合材料静态力学性能的影响
• 2/CE复合材料静态力学性能的影响'>5.3.2.2 偶联剂对纳米SiO₂/CE复合材料静态力学性能的影响
• 5.3.3 纳米粒子及其表面改性对复合材料动态力学性能的影响
• 2及其表面改性对复合材料储能模量的影响'>5.3.3.1 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料储能模量的影响
• 2及其表面改性对复合材料损耗模量的影响'>5.3.3.2 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料损耗模量的影响
• 2及其表面改性对复合材料力学损耗因子的影响'>5.3.3.3 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料力学损耗因子的影响
• 2及其表面改性对复合材料耐热性的影响'>5.3.4 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料耐热性的影响
• 2及其表面改性对复合材料介电性能的影响'>5.3.5 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料介电性能的影响
• 2的含量对复合材料介电性能的影响'>5.3.5.1 纳米SiO₂的含量对复合材料介电性能的影响
• 2的表面改性对复合材料介电性能的影响'>5.3.5.2 纳米SiO₂的表面改性对复合材料介电性能的影响
• 2及其表面改性对复合材料摩擦性能的影响'>5.3.6 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料摩擦性能的影响
• 2及其表面改性对复合材料摩擦系数的影响'>5.3.6.1 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料摩擦系数的影响
• 2及其表面改性对复合材料磨损率的影响'>5.3.6.2 纳米SiO₂及其表面改性对复合材料磨损率的影响
• 5.4 小结
• 第六章 结论与创新
• 6.1 结论
• 6.2 创新
• 参考文献
• 博士期间发表论文和成果
• 致谢