環(huán)氧樹脂廣泛應用于塑料、膠粘劑、涂料

工業(yè)、復合材料等許多領域［1］，它具有優(yōu)良的機械性能、電性能、粘接性能、耐熱性、耐溶劑性以及易成型加工等優(yōu)點，近年來其應用更是拓展到集成電路、電子元器件封裝材料及纖維強化材料等各個領域。但是，環(huán)氧樹脂所具有的內應力較高、脆性大、耐沖擊性能差等缺陷妨礙了它的應用，因此增韌改性成為環(huán)氧樹脂在實際應用中急需解決的問題之一。國內外科研工作者在這一領域進行了大量的增韌改性研究，考慮到彈性增韌是以犧牲材料鋼性、尺寸穩(wěn)定性及耐熱性為代價的［2］，改性方法從過去的橡膠類彈性體增韌改性發(fā)展到現(xiàn)在的化學共聚法、互穿網(wǎng)絡法、液晶聚合物改性等［3］。隨著無機粒子微細化技術和粒子表面處理技術的發(fā)展，特別是近年來納米級無機粒子的出現(xiàn)，為高分子材料的改性提供了新的方法和途徑，并掀起了采用無機納米材料對環(huán)氧樹脂進行增韌改性的研究熱潮，突破了已往采用橡膠類彈性體對聚合物增韌的傳統(tǒng)做法的限制。有機－無機復合材料中具有很強的表面效應、體積效應和協(xié)同效應的微粒同聚合物基體復合后，不僅能發(fā)揮聚合物基體本身的特點，還可能使復合材料呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性［4－6］。

    1實驗部分

    1．1原料與試劑

    E51環(huán)氧樹脂及其固化劑，廣州秀珀化工有限公司；NW－2辛酯偶聯(lián)劑，上海耀華化工廠；烏洛托品，山東瑞星化工有限公司；硝酸銀和無水乙醇，AR，天津市大茂化學試劑廠。

    1．2氧化鋅超細粒子的制備

    制備過程如下：

    1）配制不同濃度的Zn（NO3）2水溶液和等濃度的烏洛托品水溶液各25mL，分別攪拌5min。混合均勻后，繼續(xù)攪拌5min，待溶液中產(chǎn)生少量白色絮狀沉淀，再緩慢滴加質量分數(shù)為25％的氨水，調節(jié)溶液的pH。

    2）將混合物倒入100mL圓底三口燒瓶中，置于油浴中于90℃加熱回流，反應6h。

    3）離心分離取出沉淀，并用蒸餾水沖洗至中性，再用無水乙醇沖洗。最后，將白色沉淀在60℃烘干制成ZnO白色粉末。

    4）稱取一定量的ZnO白色粉末，預熱至120℃左右。將ZnO白色粉末和改性劑NW－2辛酯偶聯(lián)劑按一定比例置于高速萬能粉碎機（FW－100，天津泰斯特儀器有限公司；三輥研磨機）中混合約20min，再置于電熱干燥箱中干燥2h（溫度120℃），用標準篩篩分，即得到NW－2辛酯偶聯(lián)劑改性復合ZnO。1．3復合材料試樣的制備將未加氧化鋅粒子的環(huán)氧樹脂（編號1）加入本實驗中制取的SampleBZnO（編號2）的環(huán)氧樹脂、加入NW－2辛酯偶聯(lián)劑改性SampleBZnO的環(huán)氧樹脂（編號3）、加入本實驗中制取的SampleCZnO的環(huán)氧樹脂（編號4）、加入NW－2辛酯偶聯(lián)劑改性SampleCZnO的環(huán)氧樹脂（編號

    5）、加入NW－2辛酯偶聯(lián)劑改性SampleGZnO的環(huán)氧樹脂（編號6），在三輥研磨機（SG65，秦皇島歐路化工機械有限公司）上進行充分研磨混合，并預熱至40℃，加入固化劑，澆入到準備好的模具中，在40℃下經(jīng)5d固化完全即可脫模，進行力學性能的測試。

    1．4氧化鋅粒子的表征

    1）X射線衍射（XRD）。將制取的ZnO白色沉淀離心后，用蒸餾水沖洗至中性，再用無水乙醇沖洗，在空氣中自然晾干，得到白色粉末樣品。通過X射線衍射分析ZnO晶體的結構和組成。測試儀器為RigakuD／max2500多晶衍射儀，工作靶為銅靶，掃描范圍為1595，加速電壓為40kV，工作電流為200mA。

    2）場發(fā)射掃描電鏡（FE－SEM）。取少量制備的ZnO白色粉末，溶于無水乙醇中超聲分散，熱后滴加到導電玻璃或硅片上，利用場發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的結構和形貌。場發(fā)射掃描電子顯微鏡為日立S4300F型（HitachiS4300F），加速電壓為15kV，發(fā)射電流為5μA。

    1．5復合材料試樣的性能測試

    1）沖擊性能測試。在XJJ－5型簡支梁沖擊實驗機按GB2571－81進行無缺口沖擊測試。

    2）拉伸、彎曲性能測試。復合材料樣條在萬能實驗機上按GB25681、GB2570－81進行拉伸及彎曲性能的測試。

    3）掃描電鏡觀察。從已沖斷的樣條斷口附近1～3cm處鋸下斷口，斷口面朝上，用導電膠粘于樣品臺上，噴金，在250MK3型掃描電子顯微鏡下觀察斷面形貌。

    2結果與討論

    2．1ZnO粒子的形貌分析

    圖1為不同Zn2＋濃度條件下制備的ZnO粒子的掃描電鏡圖像。樣品B的反應濃度為0．025mol·L－1，形貌：牡丹花狀團蔟，直徑3～4μm；構成花狀團蔟的花瓣寬度1～1．2μm。樣品C的反應濃度為0．125mol·L－1，形貌：花狀團蔟，直徑3～4μm；構成花狀團蔟的棒直徑200～400nm，長度1～2μm。樣品G的反應濃度為0．375mol·L－1，形貌：花狀團蔟，直徑4～5μm；構成花狀團蔟的棒直徑300～500nm，長度2～2．5μm。

 表1為環(huán)氧樹脂各種試樣的力學性能測試結果。

    NW－2辛酯偶聯(lián)劑是分子中同時具有兩種不同的反應活性基團的有機化合物，能使兩種不同性質的材料很好地“偶聯(lián)”起來，形成無機相－偶聯(lián)劑－有機相的結合層。由表2可知：ZnO白色粉末經(jīng)NW－2辛酯偶聯(lián)劑處理后，表面由親水性轉變?yōu)橛H油性，既可以提高與環(huán)氧樹脂的相容性，同時也可以降低ZnO顆粒間的附聚力，改進它在基體中的分散性和分散穩(wěn)定性，增強聚合物與填料之間的粘接力，使復合材料獲得較好的強度。

    2．3超細粒子對環(huán)氧樹脂的增韌機理闡釋

    關于無機超細粒子對環(huán)氧樹脂增強的同時又能增韌的作用機理，一般認為有3個方面；①在變形中，無機超細粒子的存在產(chǎn)生應力集中效應，引發(fā)粒子周圍的樹脂基體屈服，從而吸收大量變形功，產(chǎn)生增韌；②剛性無機超細粒子在大的拉應力作用下不會產(chǎn)生大的伸長變形，因此基體和無機超細粒子的界面的部分脫粘形成空穴，使裂紋鈍化，阻礙裂紋擴展成破壞性裂縫而起到增韌作用；③超細粒子的比表面積大，表面的物理和化學缺陷越多，粒子與高分子鏈發(fā)生物理或化學結合的機會就越多，因而與基體接觸面積增大，材料受沖擊時，無機粉末會對環(huán)氧樹脂改性：一般無機填料粒子可以改進材料的剛性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等，但同時將導致材料沖擊性能的下降，因為無機粒子的比表面積很大，若接觸面積增加，表面眾多的非配對原子就更易與高分子基體發(fā)生物理或化學作用。如果選用帶有可以與環(huán)氧樹脂反應的活性基團的ZnO無機填料，通過與環(huán)氧樹脂基體之間反應進一步增強微粒與基體之間界面的結合，那么材料受到?jīng)_擊時，吸附在高分子表面的粒子可以引發(fā)更多銀紋而增韌，受拉時粒子對高分子網(wǎng)絡有束縛作用，起到剛、韌兼增的效果［7］。

    本研究中，將環(huán)氧樹脂空白樣與加入ZnO（其質量比為8∶100）的環(huán)氧樹脂復合材料的沖擊斷口進行掃描電鏡（SEM）觀察（見圖2）。

    從圖2（a）可以看出：純環(huán)氧樹脂的斷面非常規(guī)整，斷面上沒有塑性形變，屬于典型的脆性斷裂。圖2（b）是添加了未改性的ZnO的環(huán)氧樹脂樣條斷面，可以看到，在斷口表面有許多ZnO粒子是以團聚狀態(tài)存在的，在ZnO粒子的周圍雖然出現(xiàn)了銀紋，但是由于粒子處于團聚狀態(tài)，它所引發(fā)的銀紋最終導致成斷裂紋，使得沖擊能量降低。圖2（c）是沖擊強度提高的材料斷面，可以看出斷面非常粗糙，基體在沖擊方向上存在明顯的突起和滑移，改性ZnO和其周圍基體界面相引發(fā)銀紋，銀紋能吸收沖擊能，中止裂紋的生長，這就是改性ZnO能夠更大強度地增韌環(huán)氧樹脂的原因。

    3·結論

    1）NW－2辛酯偶聯(lián)劑的加入改善了ZnO與環(huán)氧樹脂的相容性及ZnO在環(huán)氧基體中的分散，有利于復合材料的增強、增韌。

    2）ZnO的加入使環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能得到了提高：拉伸強度平均提高42．3％，彎曲彈性模量平均增大了55．6％，沖擊強度平均提高71．2％。

    3）ZnO的添加量存在最佳值，在環(huán)氧樹脂體系中，ZnO添加量與環(huán)氧樹脂質量比為8∶100最合適。

    4）文中研究涉及不同形貌的ZnO在相同比例的NW－2辛酯偶聯(lián)劑的改性下，對環(huán)氧樹脂的增韌效果沒有太明顯的差距。