雜化樹脂與環氧樹脂共混固化物的力學性能研究

張曉雅

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

環氧樹脂是一種常用的熱固性樹脂材料，廣泛應用在涂料、膠黏劑、機械制造、封裝、化工防腐、航空航天等領域，具有良好的電絕緣性、優良的粘結性能、耐酸堿性、穩定性、成本低廉等優點，是各工業領域中不可或缺的基礎材料，但因為純的環氧樹脂固化后具有三維立體網狀結構，交聯密度高，分子鏈間缺少滑動表面能較高等原因，使其內應力較大、高溫下易降解，耐沖擊性能差且容易開裂，呈現高度脆性，很大程度上限制環氧樹脂在某些領域的應用。

無機納米粒子具有較大的比表面積，表面具有大量的活性基團，因而可以跟聚合物發生強烈的作用，且保留了無機物的剛性、良好的力學性能等特點，添加到聚合物基體中，能增強聚合物的剛性和韌性[1-4]。

納米材料由于具有獨特的電子結構而表現出與塊體材料不同的、獨特的物理化學性能，在實際應用和理論上都具有極大的研究價值。納米復合材料中，當納米顆粒大小接近原子，量子效應開始影響到物質分子，使物質內部結構改變，導致性能發生變化。有機無機納米雜化材料既保持了高聚物基體本身的優異性能，又充分發揮了納米組分的特殊效應，使得有機無機納米雜化材料具備傳統材料所沒有的特殊性能，可以作為高性能材料和功能性材料，是當前乃至未來的研究熱點，可以在建筑材料領域應用更廣泛。

本試驗用物理共混法制備環氧-二氧化硅雜化樹脂和CY179固化物，研究了加入不同量的環氧-二氧化硅雜化樹脂對固化物的力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑和原料

主要實驗原料列于表1中。

表1 實驗采用主要原料

1.2 實驗儀器設備

電子天平，分析天平，超聲細胞破碎儀（Sonifier450D，離心機，烘箱，塑料擺錘沖擊試驗機(深圳三思縱橫科技股份有限公司)，萬能試驗機（Zwick/Roell 2010），陶瓷研缽，瑪瑙研缽，聚四氟乙烯膜，聚四氟乙烯模具等。

1.3 實驗方法及方案

1.3.1 環氧-二氧化硅雜化樹脂的制備

將一定質量的偶聯劑CG-O186均勻分散在150ml混合溶劑中（水:乙醇=4:1），然后將40g氣相二氧化硅通過機械攪拌作用均勻分散在上述偶聯劑溶液中，調節體系Ph=9.0。70℃下超聲分散20min，超聲完成后置于500ml四口燒瓶內，70℃下攪拌回流反應6h。將反應所得溶液離心分離、乙醇洗滌3遍，真空干燥即得環氧-二氧化硅雜化樹脂[5]。

1.3.2 雜化樹脂與CY179環氧樹脂的共混

按表2配方表，先往CY179環氧樹脂中加入不同計量的二氧化硅，充分研磨，抽真空以脫去氣泡，再加入固化劑酸酐以及促進劑，充分攪拌，使其混合均勻，注入聚四氟乙烯模具中，放入烘箱中固化，分三段固化，先在90℃中固化2h，再在120℃中固化2h，最后在130℃中固化1h。

表2 雜化樹脂與CY179共混固化配方

1.3.3 力學性能的測試

采用Zwick/Roell 2010萬能試驗機，依據GB/T 1040.2-2006《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》，對制備得到的固化樣條進行拉伸試驗，測定拉伸強度、斷裂伸長率；采用塑料擺錘沖擊試驗機(深圳三思縱橫科技股份有限公司)，依據GB/T 1043.1-2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗》對制備得到的固化樣條進行沖擊試驗。

2 結果與分析

在本次研究中，用物理共混法制備環氧-二氧化硅雜化樹脂和CY179固化物，通過用研磨的方法提高環氧-二氧化硅雜化樹脂在環氧樹脂基體中的分散性。以酸酐為固化劑，四丁基溴化銨為促進劑，采用的固化工藝為：90℃/2h+120℃/2h+130℃/1h。主要研究了加入不同量的環氧-二氧化硅雜化樹脂對固化物的力學性能的影響。

本次實驗對各配方的共混固化物（所用雜化樹脂為濃度8%的偶聯劑）樣條進行了測試，分析環氧-二氧化硅雜化樹脂添加量對CY179環氧樹脂力學性能的影響，測試結果見表3、圖1～圖3。

從表3以及圖1～圖3中可以看出，隨著環氧-二氧化硅雜化樹脂添加量的增加，固化物的力學性能先增加后減小，在雜化樹脂填充量為5phr時，所得的固化物的拉伸強度、斷裂伸長率及無缺口沖擊強度均達到極大值（36.8MPa、7.8%、15.3kJ·m-2），相比純環氧樹脂，固化物的力學性能分別提高了120.4%，85.7%，54.5%。

表3 雜化樹脂的添加量對環氧樹脂力學性能的影響

圖1 雜化樹脂的添加量對固化物拉伸強度的影響

圖2 雜化樹脂的添加量對固化物斷裂伸長率的影響

其性能的提高可用銀紋剪切帶理論來解釋：當環氧固化物受到外力作用，易產生應力集中效應而引發周圍環氧樹脂基體產生銀紋，納米粒子之間的基體樹脂也產生塑性形變，吸收一定的能量。銀紋產生的原因是環氧樹脂基體中存在應力集中物SiO2粒子，在拉伸應力作用下產生應力集中效應，產生塑性剪切變形。因為聚合物應變軟化的特點，局部塑性變形量迅速增加，在塑性變形區產生橫向應力分量，環氧樹脂沿拉伸應力方向伸長時，必然產生橫向收縮，同時產生抵抗這種收縮趨勢的橫向應力，當這種應力增大到一定程度的時候，環氧樹脂局部塑性變形區產生微空洞，微空洞繼續生長變形，最后形成銀紋中的橢圓空洞。銀紋的產生吸收了部分能量，使得樹脂能承受更大的荷載，力學性能得到提高。另一方面，剛性納米SiO2粒子的存在，使環氧樹脂基體內銀紋擴展受到阻礙和鈍化，導致開裂停止。當環氧-二氧化硅雜化樹脂用量過多時，固化物的應力集中較為明顯，銀紋容易發展成為宏觀裂紋，造成固化物力學性能降低，因而隨著雜化樹脂添加量的增加，環氧固化物力學性能呈現先增加后減小的趨勢。

3 結論

以CY179環氧樹脂作為基體材料，添加不同量的偶聯劑濃度為8%的雜化樹脂，制備得到環氧共混固化物。隨著雜化樹脂添加量的增加，共混固化物的力學性能先增加后減小，在雜化樹脂填充量為5phr時，所得的環氧共混固化物的拉伸強度、斷裂伸長率及無缺口沖擊強度均達到極大值，分別為36.8MPa、7.8%、15.3kJ·m-2，相比純環氧樹脂，環氧固化物的力學性能分別提高了120.4%，85.7%，54.5%。