采用納米碳化硅(nm-SiC)對氰酸酯樹脂(CE)進行了改性,通過靜態力學性能測試,TGA和DMA分析考察了nm-SiC含量對CE/nm-SiC復合材料性能的影響。結果表明,經硅烷偶聯劑KH-560表面處理的nm-SiC更能有效地改善CE的力學性能和耐熱性:相對純CE,經KH-560表面處理的nm-SiC質量分數為1·00%的CE/nm-SiC復合材料的沖擊強度和彎曲強度分別提高86·26%和29·56%,玻璃化轉變溫度由246℃提高到287℃,5%熱失重溫度由388℃提高到455℃。 關鍵詞：氰酸酯樹脂;納米碳化硅;偶聯劑;改性 中圖分類號：TB383;TQ323文獻標識碼：A文章編號：1002-7432(2009)02-0036-03 0引言 氰酸酯樹脂(CE)是20世紀70年代繼環氧樹脂(EP)和雙馬來酰亞胺樹脂之后,新開發的一類熱固性樹脂[1]。由于CE單體聚合后交聯密度大,聚合物網絡分子中三嗪環結構高度對稱,結晶度高,固化物較脆,因此其性能改性研究一直是人們關注的熱點。到目前為止,用熱固性樹脂、熱塑性樹脂、橡膠彈性體、含不飽和雙鍵化合物等與CE共混或共聚研究已取得了較大進展[2~4]。而納米粒子改性CE的報道主要集中在納米SiO2對CE的改性方面[5~11]。我們課題組曾利用納米SiC對CEEP復合材料進行過間接改性[12]。在此基礎上,本文進一步探討了納米SiC對氰酸酯樹脂力學性能和熱學性能的直接影響,以便提供更為寬泛的實驗依據。 1實驗部分 1·1原材料 雙酚A型CE:白色顆粒,工業品,熔點74℃,純度98·2%,中國航空工業濟南特種結構研究所研制,實驗前在40℃/66·7kPa下抽真空4h,除去吸附的水分及小分子雜質,密封備用。納米SiC:粒徑40~60nm,灰綠色超細粉末,合肥開爾納米發展有限公司生產,實驗前在120℃烘箱中烘干5h,氣流粉碎,密封備用。硅烷偶聯劑KH-560:分析純,湖北荊州江漢精細化學品公司產品。其他試劑均為分析純,市售。 1·2儀器及設備 超聲波清洗器:型號KQ-300DE,昆山市超聲儀器有限公司。真空干燥箱:型號608,大連第四儀表廠。均質機:型號FJ-200,上海分析儀器廠。沖擊強度試驗機:型號XCL-40,德國萊比錫公司。彎曲強度試驗機:型號ZMF1250,德國萊比錫公司。熱失重分析儀(TGA):型號SDT2960DTA-TGA。動態力學性能譜儀(DMA):型號DMAQ800,美國TA公司。 1·3納米SiC的表面處理 將質量分數為37·5%偶聯劑加入丙酮溶劑中,用三乙胺調節pH值為5左右,待偶聯劑溶解后,將預處理過的納米SiC按質量分數25·00%加入該溶液中,超聲波分散30min,過濾除去丙酮,放入烘箱200℃下烘干5h,氣流粉碎,密封待用。 1·4CE/納米SiC復合材料的制備 將預處理過的氰酸酯油浴加熱熔融,按質量分數加入定量經偶聯劑表面處理(或未處理)的納米SiC,在不斷攪拌下升溫至80℃,并在此溫度下用均質機繼續攪拌1min,注入預熱過的模具中,放入恒溫真空干燥箱中,保持溫度(80±1)℃,抽真空至無氣泡逸出,按80℃/1h+100℃/1h+120℃/1h+150℃/1h+180℃/1h+200℃/2h(220℃/3h)固化工藝固化,自然冷卻至室溫,按要求加工成標準板材,分別制得2種試樣:CE/納米SiC(b)和CE/納米SiC/KH-560(c)。同法制得純CE試樣(a),作比較用。 1·5性能測試與表征 沖擊強度和彎曲強度分別按GB/T2571—1995和GB/T2570—1995測定;熱失重測試:升溫速率10℃/min,N2氛圍;力學損耗因子測試:試樣規格35mm×10mm×2mm,測試頻率為1Hz,溫度從20℃升至300℃,升溫速率為2℃/min。 2結果與討論 2·1納米SiC含量對復合材料力學性能的影響 圖1是納米SiC及其KH-560表面處理對復合材料靜態力學性能的影響?？梢钥闯?隨著納米-SiC質量分數的增大,2種體系的沖擊強度和彎曲強度均出現先增大后減少的變化趨勢,當納米SiC質量分數為1·00%時,均達到了最大值,并且c體系的沖擊強度和彎曲強度明顯高于b體系。在最高點(1·00%納米SiC),與純CE的沖擊強度7·86kJ/m2和彎曲強度113·02MPa相比,b體系的沖擊強度和彎曲強度分別為13·65kJ/m2和136·58MPa,提高率分別為73·66%和20·85%;c體系的沖擊強度和彎曲強度分別為14·64kJ/m2和146·43MPa,提高率分別為86·26%和29·56%?？梢?適量納米SiC能夠明顯改善CE的靜態力學性能,而且經偶聯劑KH-560表面處理后能進一步提高其韌性和強度。 納米碳化硅改性氰酸酯樹脂研究 2·2納米SiC對復合材料熱穩定性的影響 圖2是純CE及其1·00%納米SiC時復合材料的熱失重曲線?？梢钥闯?在50~750℃溫度區間尤其在高溫區200~750℃,復合材料的熱分解溫度均高于純CE,并且在相同失重條件下c體系的熱分解溫度最高。當失重5%時,純CE的熱分解溫度為388℃;b體系的熱分解溫度為436℃;c體系的熱分解溫度為455℃。當溫度升高到400℃,純CE的質量保持率為93·56%,b體系和c體系的質量保持率分別為99·06%和99·20%,相對提高率分別為5·88%和6·03%;當溫度升高到450℃,純CE的質量保持率為60·45%,b體系和c體系的質量保持率分別為76·31%和96·52%,相對提高率分別為26·24%和59·67%?？梢?1·00%納米SiC能夠提高CE的耐熱性,而且偶聯劑KH-560表面處理納米-SiC后,在低溫和高溫情況下均能有效提高CE/納米SiC的熱穩定性。 納米碳化硅改性氰酸酯樹脂研究 2·3納米SiC對復合材料玻璃化轉變溫度的影響 1·5性能測試與表征 沖擊強度和彎曲強度分別按GB/T2571—1995和GB/T2570—1995測定;熱失重測試:升溫速率10℃/min,N2氛圍;力學損耗因子測試:試樣規格35mm×10mm×2mm,測試頻率為1Hz,溫度從20℃升至300℃,升溫速率為2℃/min。 2結果與討論 2·1納米SiC含量對復合材料力學性能的影響 圖1是納米SiC及其KH-560表面處理對復合材料靜態力學性能的影響?？梢钥闯?隨著納米-SiC質量分數的增大,2種體系的沖擊強度和彎曲強度均出現先增大后減少的變化趨勢,當納米SiC質量分數為1·00%時,均達到了最大值,并且c體系的沖擊強度和彎曲強度明顯高于b體系。在最高點(1·00%納米SiC),與純CE的沖擊強度7·86kJ/m2和彎曲強度113·02MPa相比,b體系的沖擊強度和彎曲強度分別為13·65kJ/m2和136·58MPa,提高率分別為73·66%和20·85%;c體系的沖擊強度和彎曲強度分別為14·64kJ/m2和146·43MPa,提高率分別為86·26%和29·56%?？梢?適量納米SiC能夠明顯改善CE的靜態力學性能,而且經偶聯劑KH-560表面處理后能進一步提高其韌性和強度。 納米碳化硅改性氰酸酯樹脂研究 2·2納米SiC對復合材料熱穩定性的影響 圖2是純CE及其1·00%納米SiC時復合材料的熱失重曲線?？梢钥闯?在50~750℃溫度區間尤其在高溫區200~750℃,復合材料的熱分解溫度均高于純CE,并且在相同失重條件下c體系的熱分解溫度最高。當失重5%時,純CE的熱分解溫度為388℃;b體系的熱分解溫度為436℃;c體系的熱分解溫度為455℃。當溫度升高到400℃,純CE的質量保持率為93·56%,b體系和c體系的質量保持率分別為99·06%和99·20%,相對提高率分別為5·88%和6·03%;當溫度升高到450℃,純CE的質量保持率為60·45%,b體系和c體系的質量保持率分別為76·31%和96·52%,相對提高率分別為26·24%和59·67%。可見,1·00%納米SiC能夠提高CE的耐熱性,而且偶聯劑KH-560表面處理納米-SiC后,在低溫和高溫情況下均能有效提高CE/納米SiC的熱穩定性。 納米碳化硅改性氰酸酯樹脂研究 2·3納米SiC對復合材料玻璃化轉變溫度的影響 |
