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环氧树脂/二氧化硅-二氧化钛纳米杂化材料的制备及其性能研究

作　者: 陆绍荣
导　师: 王霞瑜；张海良
学　校: 湘潭大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 环氧树脂 溶胶-凝胶法 SiO2-TiO2 纳米杂化材料 增韧
分类号: TQ327
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


环氧树脂有诸多方面的优点,然而,由于环氧树脂是交联度很高的热固性材料,它的裂纹扩展属于典型的脆性扩展,其固化物脆性大、耐热性差、抗冲击强度低、易开裂,难以满足日益发展的工程技术的要求,从而限制了环氧树脂的进一步应用。在环氧树脂中加入纳米粒子是提高其韧性的一种行之有效的方法。为此,本论文从纳米复合材料的结构特点出发,对国内外环氧树脂增韧的方法、增韧效果及增韧机理作了较为详细的综述。合成了三种不同类型的EP/SiO2-TiO2纳米杂化材料,通过实验及结果表征得到以下结论: 1、采用溶胶-凝胶法制备了接枝型、含有刚性-柔性链段及超支化聚合物的三种不同类型的EP/SiO2-TiO2纳米杂化材料。对合成材料的各种类型中间体和产物采用FTIR、XRD、1HNRM、AFM 、DSC、TG、UV-Vis、TEM 及SEM 等手段进行了表征。实验结果表明:EP/SiO2-TiO2纳米杂化材料薄膜的透光率高达80%以上。XRD 表明了SiO2-TiO2 无机网络与环氧树脂基体是以化学键结合,而非简单的物理共混。AFM 及TEM 结果表明了在所研究的SiO2-TiO2 含量范围内,SiO2-TiO2 无机双组分复合粒子粒径在10100nm 之间。2、通过DSC 测试方法,采用Kissinger、Ozawa 及Crane 三种动力学模型,对不同含量的SiO2-TiO2接枝型EP/SiO2-TiO2预聚物/DDS固化体系进行了非等温固化动力学进行研究。结果表明:SiO2-TiO2 的加入使固化反应的活化能提高,而固化反应级数基本不变,表明SiO2-TiO2的加入并没有改变固化过程机理。固化反应过程是一个较为复杂的反应。3、通过对改性材料的宏观力学性能和扫描电镜断面的结果分析表明,纳米SiO2-TiO2 无机网络的存在,可以使环氧树脂固化物的韧性有较大的提高,同时材料的拉伸强度、弯曲强度也有不同程度的提高。在所研究的SiO2-TiO2用量范围内,改性材料的冲击强度提高了23 倍,即达到增强、增韧和增刚的作用。4、从材料冲击断面的扫描电镜（SEM）分析,SiO2-TiO2 无机网络增韧改性环氧树脂的机理,主要是以纳米粒子诱导基体树脂产生屈服变形导致银纹化和孔洞化为主。5、固化物的蠕变和应力松弛实验结果表明:SiO2-TiO2 无机网络的形成,使固化体系网络中的交联点增加,导致交联点间线形卷曲链段部分变形困难,增大了固化物

全文目录


中文摘要  7-9
英文摘要  9-12
第一章 绪论  12-41
  1.1 纳米粒子的特点及纳米复合材料  12-14
    1.1.1 纳米粒子的特点  12-13
    1.1.2 纳米复合材料  13-14
  1.2 环氧树脂的性能与应用  14-15
  1.3 环氧树脂的增韧方法  15-27
    1.3.1 橡胶弹性体增韧改性  15-17
    1.3.2 热塑性树脂增韧环氧树脂  17-18
    1.3.3 热致性液晶聚合物增韧环氧树脂  18-19
    1.3.4 互穿网络聚合物(IPN)增韧环氧树脂  19
    1.3.5 原位聚合技术改性环氧树脂  19
    1.3.6 超支化聚合物(HBPs)增韧环氧树脂  19-20
    1.3.7 刚性粒子增韧环氧树脂  20-27
      1.3.7.1 插层复合法  21-22
      1.3.7.2 共混法  22-23
      1.3.7.3 溶胶-凝胶法  23-27
  1.4 环氧树脂的增韧机理  27-29
  1.5 本论文研究的主要内容及创新  29-32
  参考文献  32-41
第二章 溶胶-凝胶法制备EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料  41-66
  2.1 引言  41-43
  2.2 实验部分  43-49
    2.2.1 主要原料及仪器  43
    2.2.2 杂化材料的表征与性能测试  43-44
    2.2.3 NCO 质量分数的测定  44
    2.2.4 实验步骤  44-49
      2.2.4.1 接枝-缩聚法制备EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料  44-46
      2.2.4.2 含有柔性链段的EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料  46-47
      2.2.4.3 含有超支化聚合物结构的EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料  47-49
  2.3 结果与讨论  49-62
    2.3.1 正硅酸乙酯接枝环氧树脂的气相色谱分析  49
    2.3.2 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的红外光谱表征  49-52
    2.3.3 环氧树脂及其正硅酸乙酯接枝水解缩聚物的核磁共振谱(1HNMR)分析..  52-53
    2.3.4 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的透明性  53-54
    2.3.5 EP/SiO_2-TiO_2 杂化材料中SiO_2-TiO_2 的结晶形态  54-55
    2.3.6 透射电镜(TEM)分析  55-57
    2.3.7 原子力显微镜( AFM)表征  57-61
    2.3.8 反应机理探讨  61-62
  2.4 本章小结  62-63
  参考文献  63-66
第三章 EP/SiO_2-TiO_2预聚物体系固化动力学研究  66-78
  3.1 引言  66-67
  3.2 固化动力学理论背景  67-68
  3.3 实验部分  68-69
    3.3.1 主要试剂与仪器  68-69
    3.3.2 非等温DSC 测试  69
  3.4 结果与讨论  69-74
    3.4.1 固化动力学参数  69-74
      3.4.1.1 纯环氧树脂的固化反应动力学  69-70
      3.4.1.2 EP/SiO_2-TiO_2 预聚物的固化反应动力学  70-73
      3.4.1.3 Kissinger and Ozawa 方程获得的固化体系动力学参数比较  73-74
  3.5 本章小结  74-75
  参考文献  75-78
第四章 EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料的力学性能研究  78-97
  4.1 引言  78-79
  4.2 实验部分  79-80
    4.2.1 主要原料及仪器  79
    4.2.2 EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料的制备  79
    4.2.3 杂化材料的性能测试  79-80
  4.3 结果与讨论  80-94
    4.3.1 接枝型EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的力学性能  80-83
      4.3.1.1 纳米SiO_2-TiO_2 含量对材料冲击强度的影响  80
      4.3.1.2 纳米SiO_2-TiO_2 含量对材料拉伸性能的影响  80-81
      4.3.1.3 纳米SiO_2-TiO_2 含量对材料弯曲性能的影响  81
      4.3.1.4 固化体系的冲击断面形貌  81-83
    4.3.2 含有柔性链段的EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的力学性能  83-89
      4.3.2.1 纳米SiO_2-TiO_2 含量对材料冲击强度的影响  83-84
      4.3.2.2 含柔性链段的纳米SiO_2-TiO_2 材料的冲击断面形貌  84-85
      4.3.2.3 含柔性链段的纳米SiO_2-TiO_2 含量对材料拉伸性能的影响  85
      4.3.2.4 含柔性链段的纳米SiO_2-TiO_2 杂化材料的拉伸断面形貌  85-87
      4.3.2.5 含柔性链段的纳米SiO_2-TiO_2 含量对材料弯曲性能的影响  87
      4.3.2.6 含柔性链段的SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的弯曲断面形貌  87-89
    4.3.3 含有超支化聚合物结构EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料的力学性能  89-91
      4.3.3.1 纳米SiO_2-TiO_2 含量对材料冲击强度的影响  89-90
      4.3.3.2 纳米SiO_2-TiO_2 含量对材料拉伸及弯曲性能的影响  90
      4.3.3.3 含超支化聚合物SiO_2-TiO_2 纳米材料的冲击断面形貌  90-91
    4.3.4 接枝型EP/SiO_2-TiO_2 纳米复合材料的蠕变和应力松弛  91-92
    4.3.5 纳米SiO_2-TiO_2 粒子对环氧树脂的增韧机理  92-94
  4.4 本章小结  94
  参考文献  94-97
第五章 EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料的动态力学及热力学性能分析  97-113
  5.1 引言  97-98
  5.2 实验部分  98-99
    5.2.1 主要原料及仪器  98
    5.2.2 杂化材料的表征与性能测试  98-99
  5.3 结果与讨论  99-110
    5.3.1 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的储能模量  99-101
    5.3.2 不同频率下EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的储能模量  101-103
    5.3.3 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的损耗模量  103-104
    5.3.4 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的力学损耗因子  104-105
    5.3.5 不同频率下 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的力学损耗因子  105-108
      5.3.5.1 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的力学损耗因子和玻璃化转变温度  105-107
      5.3.5.2 α松弛玻璃化转变温度( Tg )过程的活化能  107-108
    5.3.6 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的热稳定性  108-110
  5.4 本章小结  110-111
  参考文献  111-113
第六章 EP/SiO_2-TiO_2纳米杂化材料的其它性能研究  113-130
  6.1 引言  113-115
  6.2 实验部分  115-116
    6.2.1 主要原料及仪器  115
    6.2.2 性能测试  115-116
  6.3 结果与讨论  116-125
    6.3.1 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的抗菌性能  116-117
    6.3.2 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的显微硬度和摩擦性能  117-121
      6.3.2.1 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的显微硬度  117-118
      6.3.2.2 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的摩擦性能  118-121
    6.3.3 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的电介质电性能  121-125
      6.3.3.1 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的表面电阻率和体积电阻率  121-122
      6.3.3.2 EP/SiO_2-TiO_2 纳米杂化材料的介电常数  122-123
      6.3.3.3 纳米杂化材料的介质损耗  123-124
      6.3.3.4 纳米杂化材料的击穿特性  124
      6.3.3.5 纳米杂化材料的耐电弧性  124-125
  6.4 本章小结  125-126
  参考文献  126-130
第七章全文总结  130-133
攻读博士期间发表及待发表的论文  133-135
致 谢  135-136
详细摘要  136-143

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 合成树脂与塑料工业 > 增强塑料、填充塑料
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