杂化树脂与环氧树脂共混固化物的力学性能研究

张晓雅

（广东省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

环氧树脂是一种常用的热固性树脂材料，广泛应用在涂料、胶黏剂、机械制造、封装、化工防腐、航空航天等领域，具有良好的电绝缘性、优良的粘结性能、耐酸碱性、稳定性、成本低廉等优点，是各工业领域中不可或缺的基础材料，但因为纯的环氧树脂固化后具有三维立体网状结构，交联密度高，分子链间缺少滑动表面能较高等原因，使其内应力较大、高温下易降解，耐冲击性能差且容易开裂，呈现高度脆性，很大程度上限制环氧树脂在某些领域的应用。

无机纳米粒子具有较大的比表面积，表面具有大量的活性基团，因而可以跟聚合物发生强烈的作用，且保留了无机物的刚性、良好的力学性能等特点，添加到聚合物基体中，能增强聚合物的刚性和韧性[1-4]。

纳米材料由于具有独特的电子结构而表现出与块体材料不同的、独特的物理化学性能，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值。纳米复合材料中，当纳米颗粒大小接近原子，量子效应开始影响到物质分子，使物质内部结构改变，导致性能发生变化。有机无机纳米杂化材料既保持了高聚物基体本身的优异性能，又充分发挥了纳米组分的特殊效应，使得有机无机纳米杂化材料具备传统材料所没有的特殊性能，可以作为高性能材料和功能性材料，是当前乃至未来的研究热点，可以在建筑材料领域应用更广泛。

本试验用物理共混法制备环氧-二氧化硅杂化树脂和CY179固化物，研究了加入不同量的环氧-二氧化硅杂化树脂对固化物的力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂和原料

主要实验原料列于表1中。

表1 实验采用主要原料

1.2 实验仪器设备

电子天平，分析天平，超声细胞破碎仪（Sonifier450D，离心机，烘箱，塑料摆锤冲击试验机(深圳三思纵横科技股份有限公司)，万能试验机（Zwick/Roell 2010），陶瓷研钵，玛瑙研钵，聚四氟乙烯膜，聚四氟乙烯模具等。

1.3 实验方法及方案

1.3.1 环氧-二氧化硅杂化树脂的制备

将一定质量的偶联剂CG-O186均匀分散在150ml混合溶剂中（水:乙醇=4:1），然后将40g气相二氧化硅通过机械搅拌作用均匀分散在上述偶联剂溶液中，调节体系Ph=9.0。70℃下超声分散20min，超声完成后置于500ml四口烧瓶内，70℃下搅拌回流反应6h。将反应所得溶液离心分离、乙醇洗涤3遍，真空干燥即得环氧-二氧化硅杂化树脂[5]。

1.3.2 杂化树脂与CY179环氧树脂的共混

按表2配方表，先往CY179环氧树脂中加入不同计量的二氧化硅，充分研磨，抽真空以脱去气泡，再加入固化剂酸酐以及促进剂，充分搅拌，使其混合均匀，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 杂化树脂与CY179共混固化配方

1.3.3 力学性能的测试

采用Zwick/Roell 2010万能试验机，依据GB/T 1040.2-2006《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》，对制备得到的固化样条进行拉伸试验，测定拉伸强度、断裂伸长率；采用塑料摆锤冲击试验机(深圳三思纵横科技股份有限公司)，依据GB/T 1043.1-2008《塑料 简支梁冲击性能的测定 第1部分：非仪器化冲击试验》对制备得到的固化样条进行冲击试验。

2 结果与分析

在本次研究中，用物理共混法制备环氧-二氧化硅杂化树脂和CY179固化物，通过用研磨的方法提高环氧-二氧化硅杂化树脂在环氧树脂基体中的分散性。以酸酐为固化剂，四丁基溴化铵为促进剂，采用的固化工艺为：90℃/2h+120℃/2h+130℃/1h。主要研究了加入不同量的环氧-二氧化硅杂化树脂对固化物的力学性能的影响。

本次实验对各配方的共混固化物（所用杂化树脂为浓度8%的偶联剂）样条进行了测试，分析环氧-二氧化硅杂化树脂添加量对CY179环氧树脂力学性能的影响，测试结果见表3、图1～图3。

从表3以及图1～图3中可以看出，随着环氧-二氧化硅杂化树脂添加量的增加，固化物的力学性能先增加后减小，在杂化树脂填充量为5phr时，所得的固化物的拉伸强度、断裂伸长率及无缺口冲击强度均达到极大值（36.8MPa、7.8%、15.3kJ·m-2），相比纯环氧树脂，固化物的力学性能分别提高了120.4%，85.7%，54.5%。

表3 杂化树脂的添加量对环氧树脂力学性能的影响

图1 杂化树脂的添加量对固化物拉伸强度的影响

图2 杂化树脂的添加量对固化物断裂伸长率的影响

其性能的提高可用银纹剪切带理论来解释：当环氧固化物受到外力作用，易产生应力集中效应而引发周围环氧树脂基体产生银纹，纳米粒子之间的基体树脂也产生塑性形变，吸收一定的能量。银纹产生的原因是环氧树脂基体中存在应力集中物SiO2粒子，在拉伸应力作用下产生应力集中效应，产生塑性剪切变形。因为聚合物应变软化的特点，局部塑性变形量迅速增加，在塑性变形区产生横向应力分量，环氧树脂沿拉伸应力方向伸长时，必然产生横向收缩，同时产生抵抗这种收缩趋势的横向应力，当这种应力增大到一定程度的时候，环氧树脂局部塑性变形区产生微空洞，微空洞继续生长变形，最后形成银纹中的椭圆空洞。银纹的产生吸收了部分能量，使得树脂能承受更大的荷载，力学性能得到提高。另一方面，刚性纳米SiO2粒子的存在，使环氧树脂基体内银纹扩展受到阻碍和钝化，导致开裂停止。当环氧-二氧化硅杂化树脂用量过多时，固化物的应力集中较为明显，银纹容易发展成为宏观裂纹，造成固化物力学性能降低，因而随着杂化树脂添加量的增加，环氧固化物力学性能呈现先增加后减小的趋势。

3 结论

以CY179环氧树脂作为基体材料，添加不同量的偶联剂浓度为8%的杂化树脂，制备得到环氧共混固化物。随着杂化树脂添加量的增加，共混固化物的力学性能先增加后减小，在杂化树脂填充量为5phr时，所得的环氧共混固化物的拉伸强度、断裂伸长率及无缺口冲击强度均达到极大值，分别为36.8MPa、7.8%、15.3kJ·m-2，相比纯环氧树脂，环氧固化物的力学性能分别提高了120.4%，85.7%，54.5%。