液晶聚氨酯/环氧树脂复合材料的制备与性能研究

蹇恒欣 张昱 盛喜庆 杜云慧 侯静敏

摘 要：本文以对羟基苯甲醛和对苯二胺为原料合成了亚胺结构液晶基元，以二苯基甲烷二异氰酸酯、聚乙二醇（2000）和液晶基元为单体，通过溶液聚合合成具有亚胺结构的液晶聚氨酯（LCPUn）。将制备的液晶聚氨酯LCPU20与环氧树脂（E-51）通过溶液共混的方式制备复合材料，探究了液晶聚氨酯含量对于环氧树脂力学性能影响，结果表明环氧树脂的力学性能获得提高。

关键词：液晶聚氨酯;环氧树脂;复合材料;增韧

1.引言

環氧树脂由于优异的力学性能、电性能和黏结性能被广泛应用于众多领域，但环氧树脂存在着韧性差等缺点[1-4]。本研究拟合成新型结构液晶聚氨酯，通过溶液共混的方式制备液晶聚氨酯/环氧树脂复合材料[5-8]。利用液晶聚氨酯在固化反应过程中在环氧树脂基体中形成液晶微畴，起到微纤增强作用，提高环氧树脂性能，扩大其应用领域。

2.实验部分

2.1 实验药品及仪器

对羟基苯甲醛、对苯二胺、聚乙二醇（2000）、二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、二氨基二苯砜（DDS）：上海阿拉丁生物科技有限公司;无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、对甲苯磺酸、丙酮：天力化学试剂有限公司;环氧树脂DGEBA（E-51）：无锡凤凰树脂厂。

2.2 实验仪器

差示扫描量热仪：德国NETZSCH公司DSC-204;偏光显微镜：LEICA DMRX英国Linam公司;万能测试仪：MTS公司CMT4204;扫描电子显微镜：日本 Hitachi S-4700;旋转蒸发仪：北京神泰伟业仪器设备有限公司RE-201D。

2.3 试验方法

2.3.1 液晶聚氨酯合成

（1）液晶基元N，N'-双-（4-羟基亚苄基苯-1，4-联胺）（BSP）的合成

按照图1设计的合成路线，称取对羟基苯甲醛和对苯二胺，其摩尔比为2：1，分别溶于50ml无水乙醇中，加入催化量（5wt%）的对甲基苯磺酸，回流反应4h，冷却结晶，过滤，乙醇洗滤，得到黄色晶体，产率89%。

（2）液晶聚氨酯的合成

液晶聚氨酯合成路线如图2所示，按照表3的投料比，将MDI、聚乙二醇2000和液晶基元加入三口烧瓶中，再加入DMF使其溶解，升温至80℃，反应6小时。反应结束后，将产物冷却至室温并倾入水中，将所得沉淀用乙醇洗涤2至3次后抽滤，产物干燥。将得到的产物按照液晶基元的含量分别编号为LCPU0、LCPU10、LCPU20、LCPU30、LCPU40、LCPU50。

将不同配比的液晶聚氨酯LCPU20、DGEBA以及DDS在丙酮中混合均匀，再通过旋转蒸发仪脱除丙酮，所得到的混合物在真空烘箱中脱气，然后倒入预热好的聚四氟模具中，固化条件160℃×6h，180℃×1h。

3.实验结果及分析

3.1.液晶性能分析

如图3所示，在偏光显微镜下，液晶聚氨酯升温到Tm以上时，样品开始流动视野变得明亮，进入液晶相，随着温度的升高，向列相的条纹织构出现，当温度继续升高至Ti时，条纹织构消失，进入各向同性相;降温时，会观察到同样的条纹织构，含有不同摩尔分数液晶基元的液晶聚氨酯分别见图3（a）-（f）。通过偏光显微镜分析证明了LCPU20具有最为宽广的液晶区间。

图4为不同含量的液晶聚氨酯LCPU20与环氧树脂共混后固化产物力学性能。随着液晶聚氨酯LCPU20添加份数的增加，环氧树脂体系的拉伸强度和断裂伸长率显著增加。当液晶聚氨酯LCPU20含量增加到15wt%时，断裂伸长率增加到3.7%，拉伸强度相对于未改性环氧树脂增加了30%。表示LCPU20在基体中形成的液晶区域具有增韧效果。

本文合成了在宽广的液晶区间内呈现出向列织影织构的液晶聚氨酯，通过溶液共混的方式制备了液晶聚氨酯/环氧树脂复合材料。结果表明：通过合适的固化反应可以使液晶聚氨酯在共混体系的网络中形成有序的液晶区域同时大幅提高了环氧树脂力学性能。

参考文献

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[2] 甘健， 赵雄燕， 孙占英，等. 偶氮功能化液晶高分子的研究进展[J]. 塑料， 2015， （01）： 94-96.

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