二維和零維納米材料協(xié)同增強的高性能納米復合材料

李 曦

(海軍工程大學 基礎(chǔ)部化學與材料教研室，武漢 430033)

航空航天、航海潛水、兵器制造等工業(yè)的迅猛發(fā)展，對材料提出了更高的要求：強調(diào)輕、硬、強等特點集于一身[1-2]。任何一種單一物質(zhì)都無法滿足這種多方面的要求，想要得到這樣的材料只有一個辦法——復合，不僅是不同物理性質(zhì)、不同化學成分的復合，還包括不同尺寸、不同維度的復合。聚合物納米復合材料是其中很有希望滿足此要求的一類材料。它們既保留了聚合物質(zhì)輕、化學穩(wěn)定等優(yōu)點[3-4]，又由于納米粒子的加入而顯著提高了力學、熱學和阻隔等性能[5-9]。當聚合物納米復合材料中只含有一種維度的納米粒子作為增強劑時(如零維的：SiO2，TiO2等；一維的：碳納米管、晶須等；二維的：黏土、石墨等)，常常在一些主要性能上出現(xiàn)一部分升高而另一部分下降的現(xiàn)象。例如：Amit等[10]制備的納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料彎曲模量和強度均有超過5%的增幅，但拉伸強度卻下降了26%；而Dean等[11]制備的納米黏土/環(huán)氧樹脂復合材料則是模量提高了15%，而彎曲強度卻下降了60%；Chen等[12]和Akbari等[13]的實驗均得到了類似的結(jié)果。這就極大地影響了它們作為新型材料在多個方面性能上都有較高要求的特殊環(huán)境中的使用。各種不同維度的納米粒子在增強性能上都有各自的優(yōu)勢與不足。將多種不同維度的納米粒子一同復合于聚合物基體中，能整合它們各自的優(yōu)勢，產(chǎn)生更好的協(xié)同增強效應(yīng)，從而制備出在多項性能上大幅提高的高性能聚合物納米復合材料。例如：Li等[14]制備的有機蒙脫土-納米SiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸強度、彎曲強度、缺口沖擊強度和熱分解溫度比純環(huán)氧樹脂分別提高了296.3%，32.8%，77.7%和13.8℃；王其磊[15]制備的MH/Fe3O4/SR磁性橡膠復合材料的拉伸強度和伸長率比硅橡膠均提高了5%左右，熱分解速率、HRR、TSP和EHC動態(tài)燃燒數(shù)據(jù)均提高5%左右；Kadambi等[16]制備的石墨烯-單壁碳納米管/聚乙烯醇復合材料，彈性模量比聚乙烯醇提高了400%，比單壁碳納米管/聚乙烯醇復合材料提高了27%，硬度比聚乙烯醇提高了330%，比單壁碳納米管/聚乙烯醇復合材料提高了144%。

二維的蒙脫土是一種常用的增強劑，它可提高聚合物基體的力學、熱學、阻燃、阻氣[17- 18]等多項性能，但缺點是常出現(xiàn)強度，尤其是拉伸強度低于基體的情況[19-21]。另外，為了提高親水的蒙脫土與憎水的樹脂之間的親和性，人們通常用表面活性劑對蒙脫土進行修飾，但這些表面活性劑的引入往往會引起玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的降低，導致熱穩(wěn)定性下降[22-24]。零維的納米TiO2是另外一種重要的增強劑，它硬度大、強度高。含有納米TiO2的納米復合材料可以比聚合物基體具有更好的力學性能，但是同樣存在某些性能下降的情況[10]。不解決這些問題就不能充分發(fā)揮它們的優(yōu)良性能，限制了它們在多種復雜環(huán)境下的應(yīng)用。本工作中將二維的蒙脫土與零維的納米TiO2同時復合于環(huán)氧樹脂中。所制備的新材料中，二維的蒙脫土、零維的納米TiO2與環(huán)氧樹脂三者間產(chǎn)生了較為緊密的結(jié)合，二維的蒙脫土和零維的納米TiO2發(fā)揮了協(xié)同增強效應(yīng)，使得材料在拉伸模量、拉伸強度、彎曲模量、彎曲強度、缺口沖擊強度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱分解溫度上都得到大幅度提高。

1 實驗材料與方法

1.1 原料

樹脂：雙酚A環(huán)氧樹脂E-51(中石化巴陵石油化工有限責任公司)，固化劑：甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MeTHPA)(CP，日本四國化成工業(yè)株式會社)，促進劑：2-乙基-4-甲基咪唑(EMI-2,4)(CP，日本四國化成工業(yè)株式會社)，有機蒙脫土DK1(烷基季銨鹽改性，浙江豐虹新材料股份有限公司)，納米TiO2(銳鈦礦型，直徑30nm，北京納辰科技發(fā)展有限責任公司)

1.2 材料制備

將環(huán)氧樹脂、固化劑、促進劑、有機蒙脫土DK1、納米TiO2在室溫下，按比例混合，超聲分散0.5h，使各部分混合均勻，得到均一透明的體系。在真空下，保持0.5h，脫除體系內(nèi)的氣泡。將上述體系注入鋼制模具，分兩步固化，第一步：升溫到90℃，保溫2h；第二步：升溫到150℃，保溫2h。在180℃進行后固化，保溫2h。有機蒙脫土DK1和納米TiO2的質(zhì)量比為1∶1。制備了2，4，5，6，8，10phr 6個填料含量的有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料。

同法制備相同納米添加物含量的有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料作為對比。

1.3 檢測

1.3.1 力學性能

用萬能試驗機采用ASTM D 638-96標準測試了材料的拉伸模量和強度，采用ASTM D 790 M標準測試了材料的彎曲模量和強度，采用ASTM D-256標準測試了材料的沖擊強度。

1.3.2 熱性能

用STA449C型綜合熱分析儀采用差示掃描量熱分析法(differensial scanning calorimetry，DSC)在氬氣(Ar)保護下，以5℃/min的升溫速率，在25～150℃范圍內(nèi)測定材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

用STA449C型綜合熱分析儀采用熱重分析法(thermogravimetry，TG)在氬氣保護下，以10℃/min的升溫速率，在30～600℃范圍內(nèi)測定材料的分解溫度。

1.3.3 X射線衍射(XRD)

用D/MAX2500HB+/PC型X射線衍射儀在40kV，30mA的條件下，利用CuKα線以1(°)/min的速率，步長0.02°，在2°～10°區(qū)域?qū)悠愤M行X射線衍射(XRD)分析。

1.3.4 掃描電子顯微鏡(SEM)

用KYKY-2800型掃描電子顯微鏡在20kV電壓下，對經(jīng)過噴金處理的實驗材料進行了斷口形貌的觀測。

1.3.5 透射電子顯微鏡(TEM)

用JEM-2010型透射電子顯微鏡在120kV電壓下觀測了實驗材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機蒙脫土在復合材料中的微觀結(jié)構(gòu)

為了考察納米TiO2的加入對有機蒙脫土在復合材料中微觀結(jié)構(gòu)的影響，對有機蒙脫土和含有機蒙脫土的兩種復合材料進行了X射線衍射(XRD)的測試比較。X射線衍射(XRD)圖譜(圖1)顯示：有機蒙脫土DK1的2θ角在4.4°出現(xiàn)最大峰值；有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料的2θ角在2.2°出現(xiàn)最大峰值；有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的衍射線在整個測量范圍內(nèi)與基線平行。根據(jù)布拉格公式可以計算得出：有機蒙脫土DK1的層間距為2.0nm；有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料的層間距為4.1nm；有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料中未顯示出周期性的有序結(jié)構(gòu)。這說明：有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料中的蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)已不存在。

圖1 X射線衍射圖譜Fig.1 XRD patterns

由XRD結(jié)果可分析得出：有機蒙脫土單獨與環(huán)氧樹脂復合，蒙脫土經(jīng)過有機改性，增加了與環(huán)氧樹脂分子的結(jié)合力，環(huán)氧樹脂分子可插入到蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)中，可明顯增加蒙脫土的層間距，構(gòu)成插層型復合結(jié)構(gòu)；而有機蒙脫土和納米TiO2同時與環(huán)氧樹脂復合，在納米TiO2與環(huán)氧樹脂的共同作用下，蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)被破壞，剝離成單個的納米薄片，形成剝離型復合結(jié)構(gòu)。可見：由于納米TiO2的加入，有機蒙脫土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯改變。

2.2 復合材料的微觀結(jié)構(gòu)

為了更直觀地反映同時添加有機蒙脫土和納米TiO2導致復合材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，對3種復合材料進行了透射電子顯微鏡觀察(圖2)。可以看到，在有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料中，蒙脫土保持著有序的層狀結(jié)構(gòu)；在納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料中，直徑約30nm的TiO2球在環(huán)氧樹脂基質(zhì)中分布不均勻，存在富集區(qū)，但并未形成緊密的團聚體；在有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料中，蒙脫土層被完全剝離了，剝離的單片間距離可達100nm以上，其上均勻散布著直徑約30nm的TiO2球，納米TiO2球間距離也多在100nm以上。

對于有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料而言，蒙脫土層的剝離比插層可以更好地提高復合材料的性能，并且剝離程度越高性能越好[2,21]。但迄今為止，即便是使用有機修飾的蒙脫土，蒙脫土層在環(huán)氧樹脂中的完全剝離仍是難以實現(xiàn)的[2-4]。但本工作中，由于零維納米TiO2的加入，蒙脫土層被很容易的剝離成二維單片。說明在環(huán)氧樹脂中兩種納米粒子間發(fā)生了較強的相互作用。

2.3 材料的力學性能

材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，其性能也必將發(fā)生變化。從以上的實驗結(jié)果可以看出，有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生了新的變化。為了比較純環(huán)氧樹脂、有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料、納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料和有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能，分別對不同含量的4種材料進行了測試對比。

圖2 TEM照片 (a)有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)；(b)納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)；(c)有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)Fig.2 TEM micrographs (a)epoxy/MMT nanocomposites (5phr)；(b) epoxy/nano TiO2 nanocomposites (5phr)；(c) epoxy/MMT/nano TiO2 nanocomposites (5phr)

拉伸測試的結(jié)果見圖3,可以看到，隨著納米填料含量的升高，3種復合材料的拉伸模量和拉伸強度均表現(xiàn)出先升高，達到5phr后又下降的現(xiàn)象。有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料的模量均強于純環(huán)氧樹脂，但其強度均低于純環(huán)氧樹脂。納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的模量在納米填料含量為2phr和10phr時小于純環(huán)氧樹脂，其他含量時高于純環(huán)氧樹脂；其強度均強于純環(huán)氧樹脂。有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的模量和強度均明顯高于純環(huán)氧樹脂，也高于有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料。特別是當納米填料含量為5phr時，性能最佳：模量和強度分別是純環(huán)氧樹脂的254.75%和181.53%，是有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料的135.69%和243.46%，是納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的189.56%和122.01%。

圖3 拉伸測試結(jié)果 (a)拉伸模量；(b)拉伸強度Fig.3 Tensile test results (a)tensile modulus；(b)tensile strength

彎曲測試的結(jié)果如圖4，可以看到，隨著納米填料含量的升高，3種復合材料的彎曲模量和彎曲強度也表現(xiàn)出先升高，達到5phr后又下降的現(xiàn)象。有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料的模量均高于純環(huán)氧樹脂，其強度在納米填料含量超過8phr后急劇下降，比純環(huán)氧樹脂還要低。納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的模量和強度均高于純環(huán)氧樹脂。有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的模量和強度均明顯優(yōu)于純環(huán)氧樹脂，也高于有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料。特別是當納米填料含量為5phr時，性能最佳：模量和強度是純環(huán)氧樹脂的121.12%和125.25%，是有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料的106.04%和116.98%，是納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的103.31%和109.73%。

圖4 彎曲測試結(jié)果 (a)彎曲模量；(b)彎曲強度Fig.4 Flexural test results (a)flexural modulus；(b)flexural strength

缺口沖擊強度測試的結(jié)果示于圖5，可以看到，隨著納米填料含量的升高，3種復合材料的缺口沖擊強度同樣表現(xiàn)出先升高，達到5phr后又下降的現(xiàn)象。有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料、納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料均高于純環(huán)氧樹脂，但其升高幅度較小而降低幅度較大，當納米填料含量為10phr時，已接近純環(huán)氧樹脂。有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料也高于純環(huán)氧樹脂，但其升高幅度較大而降低幅度較小，在整個測量范圍內(nèi)均明顯高于有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料。特別是當納米填料含量為5phr時，性能最佳：是純環(huán)氧樹脂的165.57%，是有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料的137.23%，是納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的125.94%。

圖5 缺口沖擊強度測試結(jié)果Fig.5 Test results of notch impact strength

可見，有機蒙脫土和納米TiO2的共同添加比單獨添加有機蒙脫土和單獨添加納米TiO2能更有效地提高納米復合材料的力學性能，尤其是各項強度。其原因是兩種粒子同時復合到環(huán)氧樹脂中，在三者間產(chǎn)生了相互作用，使蒙脫土達到了高度剝離，二維的蒙脫土單片與零維的納米TiO2類球體緊密結(jié)合形成交錯結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以很好地分散載荷，耗損載荷能量，明顯地提高了材料的力學性能[14]。

2.4 材料的斷裂特性

材料的力學性能測試顯示：有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸、彎曲和缺口沖擊性能均獲得了大幅提高。這可能是由于這種新型納米復合材料的斷裂方式與其他3種材料不同。為了比較4種材料的斷裂特性，對其相應(yīng)的斷口形貌進行了掃描電鏡觀測。

4種材料的典型拉伸斷口、彎曲斷口和缺口沖擊斷口顯微照片分別顯示于圖6,7和圖8。

純環(huán)氧樹脂的斷面(圖6(a),7(a)和圖8(a))較為平滑，裂紋方向單一，呈現(xiàn)出河流花樣，顯示出典型的脆性斷裂特征。

圖6 材料的拉伸斷口SEM形貌 (a)純環(huán)氧樹脂；(b)有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)；(c)納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)；(d)有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)Fig.6 SEM micrographs showing tensile fracture morphology (a)pure epoxy;(b)epoxy/MMT nanocomposites (5phr);(c)epoxy/nano TiO2 nanocomposites (5phr);(d)epoxy/MMT/nano TiO2 nanocomposites (5phr)

有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料的斷面(圖6(b),7(b)和圖8(b))較為粗糙，但裂紋仍主要趨于一個方向。這說明有機蒙脫土的添加可以使裂紋得到一定程度的偏轉(zhuǎn)，使外來載荷能量得到一定程度的分散與吸收。此外，斷面上可見到一些大小1～3μm不等的不規(guī)則堆積物。這些堆積物是插層結(jié)構(gòu)的蒙脫土形成的團聚體。這些團聚體會成為應(yīng)力集中點，在較低的載荷下就引發(fā)裂紋形成，抵消蒙脫土的增強作用，甚至降低復合材料的性能。實驗中，拉伸強度和彎曲強度的降低正是由此原因造成的。

納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的(圖6(c),7(c)和圖8(c))的斷面較為粗糙，有數(shù)個臺階。存在放射狀裂紋，裂紋有偏轉(zhuǎn)，但裂紋仍主要趨于一個方向。這說明：裂紋在擴展過程中受到了較小的阻礙，能量得到了一定的耗散、吸收，材料的性能比純環(huán)氧樹脂有所提高。

圖7 材料的彎曲斷口SEM形貌 (a)純環(huán)氧樹脂；(b)有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)；(c)納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)；(d)有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)Fig.7 SEM micrographs showing flexural fracture morphology (a)pure epoxy;(b)epoxy/MMT nanocomposites (5phr);(c)epoxy/nano TiO2 nanocomposites (5phr);(d)epoxy/MMT/nano TiO2 nanocomposites (5phr)

圖8 材料的沖擊斷口SEM形貌 (a)純環(huán)氧樹脂；(b)有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)；(c)納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)；(d)有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料(5phr)Fig.8 SEM micrographs showing impact fracture morphology (a)pure epoxy;(b)epoxy/MMT nanocomposites (5phr);(c)epoxy/nano TiO2 nanocomposites (5phr);(d)epoxy/MMT/nano TiO2 nanocomposites (5phr)

有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的(圖6(d),7(d)和圖8(d))的斷面分布有大小不一的臺階，臺階邊緣呈舌狀翹起，其間有數(shù)個凹坑，斷面上層層疊疊，崎嶇不平，最為粗糙。裂紋短密，迂回曲折，艱澀難行，形狀各異，散布各個方向。這說明：裂紋在擴展過程中受到阻礙最多，程度最大，能量被多種途徑分散到各個方向，以多種方式被耗散、吸收，一些裂紋無力延伸而終止，材料的性能得到了極大的提高。在斷面上未見任何明顯的納米粒子團聚體，這是兩種納米粒子的共同添加促使了它們的均勻分散。所以，材料中不易形成應(yīng)力集中點。因此，材料顯示出了較佳的力學性能。

蒙脫土有較大的寬高比，是一種典型的二維納米結(jié)構(gòu)[13]。納米TiO2是一種典型的零維球形納米結(jié)構(gòu)[10]。在有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料中，既具備較大寬高比的蒙脫土單片，又具備在各個方向上都有等大投影面積的、可在各個方向上發(fā)揮阻擋作用的納米TiO2球，兩者交錯散布，互為補充，當裂紋遇到與其垂直的蒙脫土時，能量較小的會被蒙脫土終止，能量較大的則會在受阻后，沿蒙脫土表面向四周輻射而形成微裂紋。這些微裂紋能很好地耗散、吸收能量，減弱了裂紋貫通材料的能力。當裂紋與蒙脫土平行時，蒙脫土的這種阻礙作用就不存在了，但卻會遇到散布其間的納米TiO2球的阻擋。當裂紋遇到它時，無論其來自哪個方向都會沿著它的表面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成細小裂紋，能耗散裂紋的能量。受阻后的裂紋偏轉(zhuǎn)前行，又會受到蒙脫土單片的再次攔截。裂紋每受到一次阻擋，能量就會受到一些耗散。能量較小的就會消失，能量較大的就會偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)后的裂紋，大的會變成小的，小的會變成微小的。裂紋在材料中，反復不斷地受到二維蒙脫土片和零維納米TiO2球的重重堵截，載荷能量一次次地被耗散吸收，最后許多裂紋無力延伸而終止[25-26]。因此，添加兩種維度的納米粒子的材料可使多項力學性能得到極大提高。

2.5 材料的熱性能

熱性能測試的結(jié)果示于圖9。有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均略低于純環(huán)氧樹脂。前者是由有機修飾蒙脫土時所引入的小分子表面活性劑的熱不穩(wěn)定性所致[27-30]。后者可能是在超聲作用下，樹脂在納米TiO2表面發(fā)生催化自聚，降低了交聯(lián)密度所致[31]。而有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度明顯高于純環(huán)氧樹脂，更高于有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和環(huán)氧樹脂/TiO2納米復合材料。特別是當納米填料含量為5phr時，性能最佳：比純環(huán)氧樹脂提高了11.3℃，比有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料提高了12.2℃，比納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料提高了11.4℃。

圖9 熱性能 (a)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；(b)熱分解溫度Fig.9 Thermal performance (a)Tg;(b)Td

在熱分解溫度上，有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的熱分解溫度高于純環(huán)氧樹脂。有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的熱分解溫度明顯高于純環(huán)氧樹脂，也高于有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料。特別是當納米填料含量為5phr時，性能最佳：比純環(huán)氧樹脂提高了15.3℃，比有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料提高了3.0℃，比納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料提高了3.2℃。

有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的熱性能得到明顯提高的原因可能是：(1)二維蒙脫土納米單片與零維納米TiO2球混雜散布，它們的二元復雜表面對環(huán)氧樹脂的特異性吸附引起了交聯(lián)反應(yīng)前和交聯(lián)反應(yīng)中環(huán)氧樹脂鏈的非自然構(gòu)象，顯著增加了環(huán)氧樹脂的交聯(lián)點，很好地限制了樹脂分子的熱運動[32]。(2)二維的蒙脫土單片和零維的納米TiO2球混雜散布，這種結(jié)構(gòu)限制了高分子鏈段的運動，減少了高分子的配置狀態(tài)數(shù)量，即減少了定向熵。這種效應(yīng)導致材料熱穩(wěn)定性增加[33]。

可見，同時添加有機蒙脫土和納米TiO2可使納米復合材料具有更高的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)通過將二維蒙脫土和零維納米TiO2球同時復合到環(huán)氧樹脂中，成功地制備出了一種在多項性能上都有大幅提高的高性能有機蒙脫土/納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料。

(2)在該材料中，蒙脫土被完全剝離為納米單片，與納米TiO2均勻交錯地分散在環(huán)氧樹脂中。二維的蒙脫土和零維的TiO2很好地發(fā)揮了它們各自的優(yōu)勢，產(chǎn)生了協(xié)同增強效應(yīng)，使得該復合材料的性能不僅遠遠優(yōu)于純環(huán)氧樹脂，也明顯高于有機蒙脫土/環(huán)氧樹脂復合材料和納米TiO2/環(huán)氧樹脂復合材料。當復合納米填料含量為5phr時，拉伸模量分別提高了154.75%,35.69%,89.56%，拉伸強度分別提高了81.5%,143.46%,22.01%，彎曲模量分別提高了21.1%,6.04%,3.31%，彎曲強度分別提高了25.3%,16.98%,9.73%，缺口沖擊強度分別提高了65.6%,37.23%,25.94%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別提高了11.3℃,12.2 ℃,11.4 ℃，熱分解溫度分別提高了15.3,3.0,3.2 ℃。

(3)選擇適宜的兩種維度的納米材料復合于聚合物中，是制備高性能聚合物納米復合材料的成功思路。