碳化硅/環氧樹脂復合材料的制備及性能研究

劉藝帆　李景慶

摘要：分別采用固化劑D230、9035、acamine 2636與環氧樹脂E51混合，然后分別與用硅烷偶聯劑（KH550、KH560、A171）處理的碳化硅顆粒混合，采用澆注法制備了碳化硅/環氧樹脂復合材料。以材料的彎曲強度為評價方法，研究了3種不同固化劑構成的環氧樹脂體系以及3種硅烷偶聯劑對碳化硅/環氧樹脂復合材料性能的影響，以及復合材料彎曲強度與材料中環氧樹脂含量的關系。結果表明，3種固化劑中以D230、9035制備的材料性能為好；采用KH550、KH560處理碳化硅顆粒后的材料性能比不處理或采用A171處理碳化硅顆粒后的材料性能為好。隨著復合材料中環氧樹脂相含量的增加復合材料的彎曲強度下降。

關鍵詞：環氧樹脂；碳化硅；復合材料

中圖分類號：TQ433.4+37 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2013）07-0051-03

1 前言

環氧樹脂是一種常用的具有良好使用性、價廉的熱固性高分子材料，但也具有耐摩擦磨損性能和導熱性能較差的缺點，通常需要與其他無機填料復合才能獲得良好的耐磨損性能和導熱性能[1]。碳化硅（SiC）具有高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、高熱導率、良好的高溫穩定性、低的線脹系數、強的耐化學腐蝕性等優點[2]。將碳化硅顆粒（包括納米顆粒）和環氧樹脂混合后固化成型，制備碳化硅/環氧樹脂復合材料，可以制備耐磨損材料和導熱材料[3～5]。

澆注法制備顆粒填充的環氧樹脂復合材料具有操作簡單，改變模具可制成各種形狀部件的優點。本研究采用價格相對便宜且易得的普通碳化硅顆粒、3種固化劑和環氧樹脂，用澆注法制備了碳化硅/環氧樹脂復合材料。系統研究了固化劑、硅烷偶聯劑對碳化硅顆粒的表面處理對復合材料彎曲性能的影響，以及碳化硅/環氧樹脂復合材料彎曲性能與環氧樹脂相含量的關系。

2 實驗部分

2.1 主要原料

環氧樹脂（E-51），天津天豪達化工有限公司；固化劑acamine 2636，美國空氣產品公司；固化劑9035，蘇州亨思特實業有限公司；固化劑D230，美國亨斯邁公司；偶聯劑KH 550、KH560，遼寧蓋州市恒達化工有限責任公司；偶聯劑A171，美國聯碳公司；促進劑K54，韓國金井公司；黑碳化硅顆粒（12#、60#、90#、320#），市售。

2.2 碳化硅/環氧樹脂復合材料的制備

在容器中加入乙醇和偶聯劑，配成偶聯劑質量分數為5%的溶液。加入碳化硅顆粒浸泡30 min，過濾后將碳化硅在120 ℃干燥30 min。

稱取環氧樹脂、按化學計量分別加入固化劑（acamine 2636、9035、D230），最后加入固定量的促進劑（K54），攪拌均勻，分別加入一定量不同粒徑按固定比例混合的碳化硅顆粒，充分攪拌均勻后，澆注到專用模具中，震蕩脫泡，靜置10 min，再按60 ℃/2 h+120 ℃/1 h的工藝固化，冷卻后取出，得到20 mm×9 mm×150 mm的試樣。

2.3 分析測試和性能表征

采用美國熱電公司DXR激光顯微拉曼光譜儀對顆粒進行表面成分的測試；彎曲強度采用Testometric公司的M350-20KN CX型號萬能材料試驗機，按GB/T 2570—1995測試。

3 結果與討論

3.1 固化劑對碳化硅/環氧樹脂復合材料彎曲性能的影響

表1列出了碳化硅顆粒未經偶聯劑處理，環氧樹脂體系含量為20%時，3種固化劑分別與環氧樹脂配合所制備的碳化硅/環氧樹脂復合材料的彎曲強度值。

由表1可以看出，9035固化劑所制得的復合材料彎曲強度最佳，D230次之。而acamine 2636彎曲強度最低。這可能是由于acamine 2636固化劑為間苯二甲胺、苯酚和甲醛縮合反應后的混合物，與T31類似，為曼尼斯加成多元胺。該混合物含有較多苯環，固化產物脆性大。另外加入固化劑和促進劑后體系固化的凝膠時間短，使顆粒與環氧體系的攪拌過程不能充分進行，造成環氧樹脂不能充分濕潤碳化硅顆粒表面；同時，混入的氣泡不能最大限度地排除，造成復合材料中有很多孔隙，故復合材料的彎曲強度低。而固化劑9035為脂環族胺，D230為聚醚胺，他們與環氧樹脂混合后在室溫下有相對較長的凝膠時間，有較長的操作時間，既能充分濕潤碳化硅顆粒表面，又能充分排除裹進的氣泡，而且其分子結構能賦予固化物良好的韌性，故復合材料的彎曲強度較高。

3.2 偶聯劑處理對碳化硅/環氧樹脂復合材料彎曲性能的影響

表2列出了以D230為固化劑、用不同偶聯劑處理碳化硅顆粒所制樣品的彎曲強度，表3列出了以9035為固化劑、用不同偶聯劑所制樣品的彎曲強度。

從表2可以看出，固化劑為D230時，KH550、560處理碳化硅顆粒后對材料的彎曲強度都有明顯的提高，而A171僅對彎曲強度略有提高。從表3可知，固化劑為9035時，KH560對固化產物的彎曲強度提升最顯著，KH550對彎曲強度僅提高了2.9%，A171幾乎沒有影響。

采用DXR顯微拉曼光譜儀對其中采用KH550偶聯劑處理前后的表面成分進行分析。圖1為未處理的碳化硅顆粒表面的拉曼光譜圖，圖2為碳化硅顆粒采用KH550偶聯劑處理后表面的拉曼光譜圖，圖3為KH550偶聯劑液體的拉曼光譜圖。對比圖2與圖3，可以證實，經過KH550偶聯劑處理的碳化硅顆粒表面附著了一層硅烷偶聯劑。經過另外2種偶聯劑（KH560，A171）處理的表面也同樣附著了相應硅烷偶聯劑。

偶聯劑的一端含有親水的硅氧烷基團，一端含有親油基團，結構通式為R-Si-（OR）3。親水的硅氧烷基團，取向于碳化硅材料表面，與表面吸附的水分子或羥基可發生水解縮聚，形成低聚物。另一端的親油基團可與環氧樹脂相容。不同偶聯劑處理的碳化硅/環氧樹脂復合材料的性能不同主要歸結于硅烷偶聯劑R基團結構的不同。KH550為γ-氨丙基三乙氧基硅烷，KH560為γ- （2.3-環氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，A171 為乙烯基三甲氧基硅烷。 KH550含有的氨丙基與KH560含有的環氧基在固化過程中可分別與環氧樹脂體系中的環氧基和氨基進行化學反應，形成化學鍵，從而可提高其彎曲強度。而A171含有的乙烯基，卻不能與環氧樹脂發生反應，故而經A171處理后所制的材料，其彎曲強度與不加偶聯劑時大致相當。

3.3 環氧樹脂固化物含量對碳化硅/環氧樹脂復合材料彎曲性能的影響

由以上結果可以看出，KH550與D230所制樣品的性能較為出色，而且D230固化劑與環氧樹脂混合后與其他2種固化劑體系相比黏度最低，流動性最佳，因此，選定偶聯劑KH550及固化劑D230研究不同環氧樹脂含量對固化后復合材料性能的影響。

分別采用13%、15%、17%、25%的環氧樹脂加入量制備了彎曲試樣，彎曲強度見表4。

由表4所示，環氧樹脂用量為13%～25 %時，隨著含量的增加，復合材料的彎曲強度呈下降趨勢。從實際制備過程中可知，要制備環氧樹脂含量更低的碳化硅/環氧樹脂復合材料，已不能采用普通的澆注法來制備。在實驗過程中，制備含13%的樣品時，碳化硅顆粒與環氧樹脂的混合物無流動性，為分散的顆粒狀，需通過機械手段才能緊密結合在一起。而制備含25%樣品時，混合物有較好的流動性。

4 結論

（1）碳化硅粒子未經偶聯劑處理時，3種固化劑中，試樣的彎曲強度以9035、D230為好，acamine 2636的彎曲強度最低。

（2）同種固化劑時，用KH550和KH560處理碳化硅能明顯提高材料的彎曲強度，而A171幾乎沒有影響。用顯微拉曼光譜儀對偶聯劑處理后的顆粒表面進行表征，證實了偶聯劑在顆粒表面的存在，解釋了 KH550和KH560處理后使復合材料彎曲強度提高的原因。

（3）在環氧樹脂用量為13%～25%時，隨著環氧樹脂含量的增加，復合材料的彎曲強度相應降低。

參考文獻

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