纳米粒子改性环氧树脂的研究

柳亚输，王 荣（泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300）

纳米粒子改性环氧树脂的研究

柳亚输，王 荣
（泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300）

利用纳米ZnO改性环氧树脂，研究改性后环氧树脂的拉伸、弯曲和冲击力学性能。试验结果表明，添加ZnO和纳米ZnO均能增加环氧树脂的拉伸强度与弯曲强度。两者的添加效果不同，ZnO添加量与EP的拉伸强度和弯曲强度成正比关系，而纳米ZnO的添加量与EP的拉伸强度和弯曲强度成反比。相同的添加量，纳米ZnO的效果明显优于ZnO；纳米ZnO含量达到4%时，EP的拉伸、弯曲和冲击强度最大。

纳米氧化锌；环氧树脂；力学性能；改性

环氧树脂具有良好的物理、化学性能，对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变形收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定［1］，特别是环氧树脂作为复合材料的基质具有很大的应用前景［2］。随着科学技术的发展，研究、开发高韧性环氧树脂成为当务之急。近年来，纳米材料因其独特的物理化学作用而被广为重视，并逐步应用于各个领域［3］。使用纳米氧化锌改性环氧树脂的研究还比较少，所以进行这方面的研究很有必要。

1　实验部分

1.1 原料

E51型环氧树脂（配比为4∶1～3∶1），氧化锌（分析纯），纳米氧化锌（牌号Nks131，粒径50nm），三乙烯四胺（固化剂），γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷 （ KH560）。

1.2 实验过程

1.2.1 制备纯环氧树脂条

将加有固化剂的环氧树脂倒入模具（此模具为自制的锡纸模具，具体尺寸比国标GB/T 2567-1995规定的尺寸大10mm），然后升温固化，冷却后取出样条即可。

称取60g固化剂三乙烯四胺，在不停搅拌的条件下缓慢加入到500g已经称量好的环氧树脂中。待混合物搅拌均匀后，倒入锡纸模具中，在空气中脱气1h，放入真空烘箱中，在不加热、负压为0.06MPa的条件下脱气30min。然后在Pyris Diamond TGDTA/DOS热分析仪上测出固化温度为790℃（下同），在此温度下固化3.5h，最后得到由于放热引起的微翘曲的环氧树脂板样条。

1.2.2 制备氧化锌改性的环氧树脂条

用4个烧杯各称取500g的环氧树脂，分别称取10g、20g、30g、40g普通氧化锌，在略微加热使其流动性增加的情况下，将氧化锌加入环氧树脂中同时不断搅拌，使两者混合均匀。此后再加入60g三乙烯四胺固化剂，搅拌使两者混合均匀，在不加热、负压为0.06MPa的条件下脱气30min，然后在温度为790℃时固化3.5h，最后得到环氧树脂样条。

1.2.3 制备纳米氧化锌改性的环氧树脂条

制备纳米氧化锌改性的环氧树脂条比较困难。由于纳米氧化锌活性大、比表面积大，很容易团聚在一起，在制备前需要很长时间进行分散，然后再混合固化。其具体制备过程为：用4个烧杯各称取500g的环氧树脂，分别称取10g、20g、30g、40g纳米氧化锌，先超声波振荡1h，再加热机械搅拌1h，然后再超声波振荡1h。将其与称量好的环氧树脂混合均匀，再分别加入60g三乙烯四胺固化剂混合均匀，在不加热、负压为0.06MPa的条件下脱气30min，然后在温度为790℃时固化3.5h，得到翘曲的环氧树脂板材。

将制备好的试样根据国标GB/T 2567-1995切割成样条，再用铣磨机抛光，减小其尺寸的误差，每个样条制作3个，利用万能电子力学仪和电子冲击试验机测出其力学性能，取其平均值，减小测量误差。

2　实验结果

用万能电子力学仪分别测出样条的拉伸强度和弯曲强度，用电子冲击试验机测出样条的冲击强度，取相同填料、相同含量的3个样条的力学强度的平均值。由于环氧树脂较脆，故做无缺口冲击试验。

2.1 拉伸性能测试

拉伸性能测试结果如表1和图1所示。由图1可知，ZnO和纳米ZnO对环氧树脂的拉伸强度增加都有效果。随着ZnO含量的增加，复合材料的拉伸强度逐渐增大，当ZnO含量达到8%时，拉伸强度为69.41MPa，提高了18.91%。随着纳米ZnO含量的增加，复合材料的拉伸强度先大幅增加然后缓慢增加，当纳米ZnO含量达到8%时，复合材料的拉伸强度达到最大为73.59MPa，提高了26.10%。由此可见，在含量相同的情况下，纳米ZnO比普通ZnO对环氧树脂拉伸强度的增强效果好。

表1　添加填料的复合材料的拉伸强度Table1　1 tensile strength of composite material /MPa

图1　复合材料的拉伸强度与填料的百分含量的关系Fig.1　Tensile strength and the relationship between the percentage content of filler

2.2 弯曲性能测试

弯曲性能测试结果如表2和图2所示。由图2可知，ZnO和纳米ZnO对环氧树脂的弯曲强度增加都有效果。随着ZnO含量的增加，复合材料的弯曲强度逐渐增大，当ZnO含量达到5%时，弯曲强度为106.63MPa，提高了8.3%。随着纳米ZnO的含量的增加，复合材料的弯曲强度先增加后减小，当纳米ZnO含量达到4%时，复合材料的弯曲强度达到最大为109.63MPa，提高了11.32%。

表2　添加填料的复合材料的弯曲强度Table2　blending strength of composite material /MPa

图2　复合材料的弯曲强度与填料的百分含量的关系Fig.2　Flexural strength and the relationship between the percentage content of filler

由此可见，百分含量一定的情况下，纳米ZnO比普通ZnO对环氧树脂弯曲强度的增加效果好。

2.3 冲击性能测试

冲击性能测试结果如表3和图3所示。由图3可知，ZnO的加入降低了环氧树脂的冲击强度，随着ZnO含量的增加，冲击强度逐渐减小。随着纳米ZnO含量的增加，冲击强度先增加后降低，当纳米ZnO含量达到4%时，复合材料的冲击强度达到最大为45.33kJ·m-2，提高了21.4%。

表3　添加填料的复合材料的冲击强度Table 3　impact strength of composite material　/ kJ·m-2

图3　复合材料的冲击强度与填料的百分含量的关系Fig.3　Impact strength and the relationship between the percentage content of filler

3　讨论

3.1 添加粒子对拉伸强度和弯曲强度的影响

普通ZnO粒子和纳米ZnO粒子都能增加环氧树脂的拉伸强度和弯曲强度［4］，这是由于无机粒子加入后，当受到外力作用时，刚性粒子可以承担一定的载荷，使复合材料的强度增加。随着纳米粒子含量的增加，刚性粒子承担载荷增加，强度也增加。但是过多的纳米粒子不易分散，发生团聚，反而降低其强度，不过纳米粒子团聚之后体积也不会高于普通ZnO粒子，所以纳米ZnO粒子总是比普通ZnO粒子的增强效果好。

3.2 添加粒子对环氧树脂冲击强度的影响

普通ZnO粒子不能增加环氧树脂的韧性，反而降低其韧性。纳米ZnO粒子在一定的含量时具有很好的增韧效果。这是由于纳米粒子的颗粒较小，细小的粒子容易引发微小的银纹，且表面积大，可引发大量银纹。复合材料受到冲击时，银纹吸收冲击能量，达到较好的增韧效果。然而普通ZnO粒子颗粒较大，很难引发银纹，而且大的颗粒容易产生应力集中，使其韧性降低。

3.3 纳米ZnO粒子对环氧树脂冲击强度的影响

纳米粒子的增韧效果不仅与其颗粒的粒径大小有关［5］，还和刚性纳米粒子之间的平均距离有关。当纳米粒子的粒径固定时，增韧效果与其纳米粒子的含量有关［6］。从图3中可以看出，纳米粒子含量较少，粒子之间的距离较大，复合材料在受到冲击时，粒子之间的环氧树脂基体产生的形变较小，吸收的冲击能量较少，增韧效果不明显；纳米粒子的含量逐渐增加，粒子之间的距离逐渐减小，复合材料在受到冲击时，粒子之间的环氧树脂基体产生的形变逐渐变大，吸收的冲击能量也随之增加，所以冲击强度越来越大，增韧效果越来越好。纳米粒子的增韧效果还和分散程度有关，比较图3可以看出，尽管6%的含量减小了粒子间的距离，但是分散效果较差，产生了纳米粒子的团聚，使其粒径变大超出纳米级别，不但不能引发银纹，而且成为了应力集中体，受到冲击时，在团聚颗粒处产生应力集中，使其韧性降低。

4　结论

1）添加普通ZnO和纳米ZnO都能增加环氧树脂的拉伸强度和弯曲强度，即增加其强度。随着普通ZnO含量的增加，复合材料的强度增加。然而，随着纳米ZnO含量的增加，复合材料强度的增加幅度先大后小，当其含量为8%时，增强效果最好。当填充粒子的含量相同时，纳米ZnO增强环氧树脂的效果优于普通ZnO。

2）添加普通ZnO会降低环氧树脂的冲击强度，即韧性降低。一定量的纳米ZnO能增加其韧性。随着纳米ZnO含量的增加，复合材料的韧性先增加后减小，当其含量为4%时，增韧效果最好。

3）由于纳米ZnO的界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等效应，纳米ZnO添加在环氧树脂中，在不降低其强度的情况下，可提高其韧性。

［1］ 白云起，薛丽梅，等.环氧树脂的改性研究进展［J］.化学与粘合，2007，29（4）：289.

［2］ 尚武林.淀粉纳米晶改性环氧树脂纳米复合材料的研究［J］.安徽化工，2012，38（4）：38-45.

［3］ 杨凤霞，刘其丽，毕磊.纳米氧化锌的应用综述［J］.安徽化工，2006，139（1）：13-17.

［4］ 陈尔凡，田雅娟，周本廉.T-ZnO晶须增强环氧树脂复合材料的力学行为［J］.高分子材料科学与工程，2003，19（2）：487-495.

［5］ 白景美，卢秀萍，邵金璐.纳米ZnO/ABS复合材料的制备及性能研究［J］.中国塑料，2009，19（12）：345-353.

［6］ 胡幼华，高辉，阎逢元，等.纳米ZnO/环氧树脂复合材料的力学性能和摩擦学性能［J］.摩擦学学报，2003，23（3）：126-132.

Study on Nano-particles Modified Epoxy Resin

LIU Ya-shu， WANG Rong
（Taizhou Polytechnic College， Taizhou 225300， China）

EP was modified with nano-ZnO. The influence of nano-ZnO content on the tensile， bending， and impact mechanical properties of EP， was investigated. The results showed that adding ZnO or the nano-ZnO could increase the tensile strength and bending strength of EP. The tensile strength and bending strength increased with the increase of ZnO content. However， the tensile strength and bending strength first increased， and then decreased when the content of the nano-ZnO was increased. With the same content， the effect of nano-ZnO was better than ZnO. When the content of the nano-ZnO was 4%， the tensile strength， impact strength and bending strength of EP was the maximum.

nano-ZnO； epoxy resin； mechanical properties； modified

TQ 323.5

A

1671-9905（2016）07-0022-03

柳亚输（1982-），讲师，从事纳米材料及模具设计教学与研究工作，电话；15261007625，E-mail： 517706333@qq.com

2016-05-23