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不同维数无机材料对环氧树脂固化动力学的影响

作　者: 赵学庭
导　师: 郝文涛
学　校: 合肥工业大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 环氧树脂氮化硅晶须层状双金属氢氧化物四针状氧化锌晶须固化动力学
分类号: TQ323.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

环氧树脂（EP）是一类重要的热固性树脂，被广泛应用在绝缘材料、粘合剂、复合材料和涂料等方面。此外，由于其优异的力学性能，较高的耐腐蚀性，优良的电绝缘性以及成型加工容易、成本低廉等优点，环氧树脂已成为许多复合材料的重要基体树脂。但是环氧树脂由于本身结构的原因导致其性能上也存在不足，如韧性不高、内应力大等。目前无机材料在环氧树脂改性方面具有很大的发展潜能。无机材料对环氧树脂复合材料性能的影响主要通过影响其固化过程实现，具有不同维数（线性、片状以及四脚针状）的无机材料对环氧树脂的固化动力学影响会随着其结构的不同而有明显差异。但是，当前的研究工作中，对于不同维数的无机材料在环氧树脂固化过程中所起的作用的分析并不深入。对于一维、二维和三维结构的无机材料对环氧树脂固化动力学的影响规律研究需要进一步去拓展。本课题选取了三种具有代表性的无机材料作为改性剂，以差示扫描量热分析（DSC）为主要研究方法，以等温固化动力学和非等温固化动力学分析为主要分析手段，研究了不同维数、不同含量的无机材料对E51环氧树脂固化动力学的影响规律。这三种无机材料分别是具有一维纳米结构的氮化硅（Si₃N₄）晶须、具有二维纳米结构的层状双金属氢氧化物（LDHs）和具有三维结构的四针状氧化锌晶须（T-ZnOw）。实验中，首先使用γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）对三种无机材料进行表面改性，然后通过超声分散和磁力搅拌的方法使无机材料充分分散到树脂基体中。所得样品一部分通过DSC测试其等温和非等温固化过程，并对所得数据进行动力学分析；另一部分在适当的温度和时间下固化形成环氧/无机复合材料，然后测试复合材料的热稳定性。所有体系等温DSC的测试温度均设定为140℃、160℃和180℃。实验中使用Kamal自催化模型对等温DSC数据进行非线性回归拟合，分析复合体系等温固化动力学的变化规律。通过数据分析可知，纯环氧体系和三种无机材料改性的环氧体系，它们的固化过程均符合Kamal自催化模型，通过Kamal模型拟合所得的曲线和实验所得数据基本吻合。对于E51/DDM/Si₃N₄体系，同一温度下，反应速率常数k2均大于纯环氧体系，不同含量的Si₃N₄晶须对环氧体系的反应速率常数k2的影响呈现先上升后下降的趋势；E51/DDM/LDH体系的反应速率常数k2在同一温度下均小于纯环氧树脂，随着LDH含量的增加，k2逐渐增大；E51/DDM/T-ZnOw体系的反应速率常数k2均大于纯环氧体系并且随着T-ZnOw含量的增加而增大。总体来说，添加了不同维数无机材料的环氧体系在反应初始阶段的活化能（E,1）较纯环氧树脂大幅降低；反应中后期的活化能（E,2），均明显低于反应初始阶段的活化能。非等温DSC测试升温速率分别为1、2、5和8℃/min。实验中通过Kissinger方法、Flynn-Wall-Ozawa积分法和Friedman微分法这三种动力学模型对环氧及其复合体系的固化过程进行分析，其中，Friedman方法是对Flynn-Wall-Ozawa方法所得结果的验证。从分析结果可以看出，无机材料的空间结构是影响环氧体系固化反应的主要因素。三种无机材料均能使环氧体系的活化能降低，促进固化反应的进行。对于E51/DDM/Si₃N₄体系，晶须含量为1wt%和2.5wt%的体系与纯环氧树脂的初始活化能相近，但是晶须含量为5wt%的体系，初始活化能明显下降，反应中后期E51/DDM/Si₃N₄体系的活化能均低于纯环氧体系；E51/DDM/LDH体系中，随着转化率提高，LDH含量为1wt%和2.5wt%的体系活化能持续降低，LDH含量为5wt%的体系活化能后期有所升高；对于E51/DDM/T-ZnOw体系，不同含量的T-ZnOw晶须均使得环氧体系的活化能下降，但随着晶须含量的增加活化能的下降趋势逐渐减弱。通过对三种无机材料改性的环氧复合体系的热失重曲线分析可知，Si₃N₄晶须、LDH和四针状ZnO晶须均能提高环氧树脂的热稳定性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
致谢  9-14
第一章绪论  14-23
  1.1 环氧树脂的结构、特性及其改性研究  14-16
    1.1.1 环氧树脂的结构和特性  14-15
    1.1.2 环氧树脂的改性研究  15-16
  1.2 无机材料改性环氧树脂的研究  16-18
    1.2.1 纳米材料的定义及特性  16-17
    1.2.2 无机纳米材料改性环氧树脂的研究现状  17-18
  1.3 无机材料改性环氧树脂的固化动力学研究  18-20
    1.3.1 环氧树脂的固化  18-19
    1.3.2 环氧树脂的固化反应动力学  19-20
    1.3.3 无机材料改性环氧树脂的固化动力学研究现状  20
  1.4 课题研究的主要内容及意义  20-23
第二章实验部分  23-27
  2.1 实验原料  23-24
  2.2 三种无机材料的表面改性  24
  2.3 复合材料的制备及固化  24-25
    2.3.1 环氧树脂/纳米 Si_3N_4晶须复合体系的制备  24-25
    2.3.2 环氧树脂/层状双氢氧化物复合体系的制备  25
    2.3.3 环氧树脂/四针状 ZnO 晶须复合体系的制备  25
  2.4 样品的测试与表征  25-27
    2.4.1 DSC 固化动力学测试  25-26
    2.4.2 热失重（TG）测试  26
    2.4.3 X 射线衍射（XRD）  26
    2.4.4 扫描电镜（SEM）测试  26-27
第三章不同维数无机材料对环氧树脂等温固化动力学的影响  27-43
  3.1 等温 DSC 分析  28-33
  3.2 等温固化动力学分析  33-42
    3.2.1 E51/DDM/Si_3N_4体系固化反应动力学参数及活化能分析  35-38
    3.2.2 E51/DDM/LDH 体系固化反应动力学参数及活化能分析  38-40
    3.2.3 E51/DDM/T-ZnOw 体系固化反应动力学参数及活化能分析  40-42
  3.3 本章小结  42-43
第四章不同维数无机材料对环氧树脂非等温固化动力学的影响  43-66
  4.1 动态 DSC 曲线分析  43-46
  4.2 Kissinger 方法分析  46-49
  4.3 等转化率方法分析  49-62
    4.3.1 等转化率法分析 Si_3N_4晶须对 E51/DDM 体系非等温固化动力学的影响  50-54
    4.3.2 等转化率法分析 LDH 对 E51/DDM 体系非等温固化动力学的影响  54-58
    4.3.3 等转化率法分析 T-ZnOw 对 E51/DDM 体系非等温固化动力学的影响  58-62
  4.4 三种无机材料改性环氧树脂复合体系的热稳定性分析  62-64
  4.5 本章小结  64-66
参考文献  66-73
硕士期间发表的论文  73-74

不同维数无机材料对环氧树脂固化动力学的影响

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