環氧樹脂/黏土納米復合材料的制備與性能

蔣文明，王海龍，李思雨

（沈陽化工大學，遼寧沈陽 110000）

環氧樹脂是現階段社會主義經濟市場上廣泛流傳的熱固性樹脂之一，這種材料具備較強的黏接力、良好的電絕緣性、較小的收縮性、較強的穩定性。從實際應用情況來看，環氧樹脂在土木工程、航空、電子工程等領域中得到了廣泛的應用。納米復合材料主要是指分散相尺度至少有一維小于100nm 的復合材料，受納米復合材料自身性能的影響，將其和環氧樹脂組合使用能夠進一步提升環氧樹脂的使用性能。為此，本文就環氧樹脂/黏土納米復合材料的制備和性能強化問題進行探究。

1 環氧樹脂/黏土納米復合材料的制備

1.1 剝離吸附制備方式

黏土中所包含的層狀硅酸鹽晶片會依靠微弱分子之間的作用力來堆砌成一種十分有序的疊層結構，這種結構在溶劑中會呈現出分散的狀態。剝離吸附就是應用這一原理特點將黏土在可溶解的聚合物或者聚合溶劑中分散形成單片硅酸鹽晶片，這種晶片在使用的時候往往能夠被聚合物吸附。在去除溶劑之后晶片會被重新分布，通過應用重新分布的晶片能夠獲得質量上乘的納米復合材料。

在具體加工操作的時候會應用多種類型的硅酸鹽晶片來打造出多層結構，這種方法被人們廣泛應用在水溶性聚合物、黏土插層類型的納米復合材料制備，其中具備典型代表的材料包含聚乙烯醇、黏土、聚氧化乙烯等。

1.2 原位插層聚合

原位插層聚合方法主要是將單體或者齊聚物插層到黏性土層上，之后應用引發劑或者其他操作方式來引發聚合反應。借助反應放熱來改變之前的黏土層狀結構，將微米尺度的黏土顆粒剝離成厚度為0.94mm 的硅酸鹽晶片，并將其均勻地涂抹在聚合物基體上，從而實現聚合物和黏土在納米尺度上的復合。在具體操作的時候，原位插層聚合按照基本反應類型可以劃分為插層縮聚、插層加聚兩種類型，按照混合方式的不同可以具體劃分為直接混合和借助溶劑和插層溶液的混合方法。

1.3 熔融插層處理

在具體操作時，如果聚合物和硅酸鹽晶片顯示出比較明顯的相容性，在這些材料處于一種熔斷狀態的時候，聚合物會和黏性土共同融合在一起，由此形成一種復合型材料。這種操作方式在不適用溶劑的情況下就能夠達到理想的效果，是現階段制備以PP 為代表的聚合物/黏土納米復合材料。

1.4 模板合成

在具備聚合物和硅酸鹽結構單元的水溶液中能夠直接合成硅酸鹽晶片，這種類型的晶片還能夠用來合成雙層OH 的納米復合材料。但是在具體操作的時候受動力學的影響，最終形成的硅酸鹽晶片尺寸大小不符合天然黏性土的使用要求，總體上是后者三分之一的厚度大小。在具體實踐操作的時候通過應用聚合物能夠促進無機相黏土硅酸鹽晶片的合成。

這種操作方法主要用在水溶性聚合物、PVPyr、聚苯胺、HPMC 和PAN 聚合物之后，在具體實施操作之后常用的方案是2wt%的硅溶膠、Mg（OH）2膠和LiF，在將這些材料和理想的水溶性聚合物融合在一起之后加熱回流兩天。在實驗操作的時候層間距和加入聚合物的重量分散會呈現出一種正相關的關系。

在先進技術的發展支持下，人們開始應用原位插層聚合方法綜合制備材料，在制備的過程中會采用原位插層聚合制備方式。有學者研究了混合方法和混合時間對環氧樹脂插層黏土性質的影響，經過研究發現在直接應用混合方法和溶液混合方法之后，d001 均從2.4mm 增加到3.7mm，與此同時，黏土層之間還能夠容納環氧樹脂的飽和數值，在達到這個數值之后會在以往基礎上延長溶劑的使用時間，并在實驗操作的時候增強環氧樹脂在黏土層之間的安全性和穩定性。

2 環氧樹脂/黏土納米復合材料的力學性能

經過環氧樹脂/黏土納米復合材料的力學性能測試分析可以發現，在一定的研究范圍內，隨著蒙脫土含量的增加，復合材料的拉伸強度會經歷從增大到減小的變化，在這個過程中所有材料的沖擊強度也會不斷增加。在蒙脫土的添加數量達到6g 的時候，整個蒙脫土的拉伸強度會達到最大的狀態，即從純環氧樹脂的50.25MPa 提升到71.48MPa，伴隨而來的是沖擊強度也從之前的22.4kJ/m2提升到34.56kJ/m2，總體數值都會提升到一定的比例。在蒙脫土的含量增加到10g 的時候，蒙脫土的拉伸強度也會降低，沖擊強度會提升到55.24kJ/m2。

在具體實踐操作的時候如果蒙脫土的基本屬性是層狀無機硅酸鹽黏性土的聚集體，那么它的片狀晶體則會顯示出較大的強度和剛度，固化之后的蒙脫土在樹脂基體中會以層片狀的形態分布，總體表面積較大。在受到外力影響的情況下，納米級別的蒙脫土層會產生較多的銀紋，吸收能力和沖擊能力和之前相比也有所提升。少量蒙脫土的使用會在較大范圍內提升環氧樹脂的力學性能，使其顯示出和其他微米級別填料不可相比的優勢性。

3 環氧樹脂/黏土納米復合材料的熱學性能

從實踐操作上來看，玻璃化轉變溫度也是衡量聚合物復合材料熱性能的一個重要參數指標，但是目前對聚合物、黏土納米復合材料的轉化研究存在較多的爭議。有學者在實驗中無法看到聚合物的玻璃化轉變，而出現這種現象的原因是處于蒙脫土片層坑道高分子鏈段運動和自身狀態不同變化所引起的，但是關于其是否會超出觀測范圍，仍然沒有更深入的研究報道。

在以往研究基礎上人們選擇應用DSC 對環氧樹脂/黏土納米復合材料的玻璃化轉變進行了深入的研究，經過一系列實驗研究證明，在材料提升溫度為20℃/min，材料的性能轉變不夠明顯，僅僅能夠觀察到一個斜向上的直線。在升溫速率為40℃/min 就會明顯地觀察到玻璃的轉變。由此可以證明，在環氧樹脂/黏土納米復合材料體系中，蒙脫土片晶或者單層晶會以納米尺度均勻分布在樹脂基體中，自由體積減少，因而受熱時所能夠開展的鏈段運動更加困難，熱穩定性能會提升。

4 結束語

綜上所述，雖然當前人們對環氧樹脂/黏土納米復合材料的研究處于一種起步階段，但是現有的研究結果已經證明這類材料擁有廣闊的應用空間。但是從研究上來看，人們對環氧樹脂材料的應用認識還處于比較膚淺的階段，主要關注的是環氧樹脂和黏性復合前后拉伸強度和模量的變化，沒有充分考慮到環氧樹脂材料的沖擊性和柔韌性，這一方面的研究是未來需要改進和完善的。在先進技術的發展支持下，未來關于環氧樹脂的研究將會集中在環氧樹脂和黏土二元結合、橡膠增韌和熱塑性樹脂材料工藝改進方面，并借助先進的技術形式對這一材料的加工工藝和結構結構進行深入的研究，不斷優化材料的加工操作流程，節省加工成本。