蒙 公开 脱土对环氧复合材料的改性研究

李强 陈建平 饶安梅

摘要 为了进一步提高环氧树脂力学性能，利用插层技术制备OMMT/E51纳米复合材料，采用X射线衍射测试（XRD）和傅里叶红外光谱分析（FT-IR）等方法对复合材料进行表征，并对复合材料的拉伸、弯曲和冲击性能等力学性能进行分析，研究蒙脱土对环氧树脂复合材料的性能影响。研究表明，添加有机蒙脱土对环氧树脂复合材料的力学性能有明显提升，随着蒙脱土含量的不断增加，蒙脱土改性环氧树脂复合材料的拉伸强度、拉伸强度模量、弯曲强度、弯曲强度模量和冲击强度都会逐渐增强。当有机蒙脱土含量为2%时，得到的蒙脱土改性复合材料的力学性能提升最为显著，其拉伸强度和拉伸模量分别比未加入蒙脱土的环氧树脂提高了17.7%和25.9%。弯曲强度和弯曲模量也得到大幅度地提高，分别提高了14.6%和15.7%，冲击强度比未加入蒙脱土的环氧树脂提高了59.68%。

主题词 蒙脱土 环氧树脂 插层技术 复合材料

1 引言

随着近年来复合材料技术的飞速发展，优良的树脂复合材料逐渐出现在人们的视野中，并且越来越受到关注^[1]。而在树脂复合材料中性能最为优良，使用最为广泛的就是环氧树脂，其中最常见的环氧树脂型号则是环氧树脂E51 ^[2]。环氧树脂早在1891年就被一名德国科学家研制出，经过几百年的不断探索和研究，如今环氧树脂凭借它优良的性能已经被广泛的运用在各个领域。环氧树脂具有十分良好的物理、化学性能^[3]，但随着科学技术的不断进步和完善，环氧树脂的不足也出现在我们面前。环氧树脂在固化作用后会出现交联密度太高、韧性差等缺点^[4]，人们急需对环氧树脂进行改进，使它更好地达到现在生产的要求。

蒙脱土是一种白色略带灰色的天然的硅酸盐矿物，又名胶岭石，主要成分为Al₂O₃、SiO₂等。近年来蒙脱土逐渐出现在人们的视野中，经过科学家不断地努力，蒙脱土改性环氧树脂有了很大的进步。经蒙脱土改性后的环氧树脂在模量、强度、气体阻隔性能上有了大幅度的提高^[5]。

下文试图利用插层技术，将纳米蒙脱土插层到环氧树脂E51当中，研究蒙脱土对环氧树脂复合材料的改性效果及其作用机理。

2 实验部分

2.1实验材料

所用主要材料表1，所用蒙脱土性能指标见表2。

表1 实验主要材料

主要原材料	级别及型号
蒙脱土	1.24L
无水乙醇	分析纯
环氧树脂	工业级
4,4`-二氨基二苯甲烷	工业级
间苯二胺	工业级

表2 蒙脱土性能指标

离子交换容量	平均晶片厚度	密度	湿度	pH值	平均
145	≦25nm	2-3g/ml	12％	9.5~10.5	16~22

2.2 蒙脱土/环氧树脂复合材料制备

（1）将足量的蒙脱土放入电热烘箱，使蒙脱土彻底除水。

（2）将环氧树脂E51放入电热烘箱，40℃预热20min~30min。

（3）模具涂脱模剂，80℃预热20min。

（4）以质量比4:6分别称量4,4`-二氨基二苯甲烷（DDM）和间苯二胺（MPDA）。

（5）用恒温水浴锅将配置好的固化剂加热到95℃，并搅拌均匀。

（6）干燥处理后的蒙脱土与固化剂混合，在超声分散仪中分散1小时。

（7）将（6）处理好的固化剂与环氧树脂E51按16.8:100的比例混合，再利用均质机搅拌20分钟，放入真空干燥箱中抽真空，去除气泡。

（8）将树脂倒入预热好的模具中，置于烘箱中80℃固化2h，160℃固化2h，190℃固化2h。

2.3 测试与表征

傅里叶红外光谱分析（FT-IR）：取适量样品与少量KBr，研磨均匀，用压片机压片后放入傅里叶红外光谱仪分析。X射线衍射（XRD）：取少量粉末试样填满样品架，对其进行压实后放入X射线衍射仪中进行测试。力学性能测试：按照GB/T2567-2008要求分别制备拉伸、弯曲、冲击试样，每组试样为5个，进行力学性能测试。扫描电镜（SEM）测试：选取具有典型代表性的冲击试验断口试样，采用导电胶带将试样粘贴在样品台上，进行喷金处理；在扫描电子显微镜中对试样断口形貌进行观察拍照，测试电压15 kV。

3 结果与讨论

3.1蒙脱土/环氧树脂复合材料的FT-IR分析

根据蒙脱土改性环氧树脂的FT-IR图像，蒙脱土含量为0%的改性环氧树脂在2928.64cm^-1处出现峰值，说明有O-H官能团。而在2%蒙脱土含量的改性环氧树脂中，这一峰值消失了，表明环氧树脂与蒙脱土的反应时O-H官能团参与了反应，蒙脱土的片层发生了剥离，蒙脱土与环氧树脂发生了插层反应。

3.2蒙脱土改性环氧树脂的XRD分析

研究表明，蒙脱土的特征衍射射峰是在5.68°处出现的，根据Bragg方程（2dsinϴ=ƛ），在已知ϴ衍射角的大小的前提下，可以算出蒙脱土片层间距为1.51nm。根据图2所示，环氧树脂进过蒙脱土的改性后，XRD曲线平滑，没有出现较大的衍射峰，说明蒙脱土片层在环氧树脂中发生了剥离，片层均匀地分散在了环氧树脂中，证明蒙脱土与环氧树脂在纳米尺度发生了结合。

3.3蒙脱土对环氧树脂力学性能的影响

（1）拉伸性能

不同含量蒙脱土对环氧树脂拉伸强度的影响分析，蒙脱土的添加可以显著提升环氧树脂的拉伸强度，当蒙脱土含量为2%时，拉伸强度达到最大值，为72.64MPa，相比于未加入蒙脱土的环氧树脂提升了17.7%。

蒙脱土对环氧树脂拉伸模量的影响分析，当蒙脱土含量为2％时，改性环氧树脂的拉伸模量最高，为0.849GPa，比未加入蒙脱土的环氧树脂提升了25.9%。

由于分散均匀的蒙脱土在改性环氧树脂中起到了化学交联点的良性作用，使蒙脱土与环氧树脂之间的空隙变小，所以抵抗拉应力的能力变得更强。当蒙脱土的含量大于3%后，改性环氧树脂的拉伸性能不增反降，这是因为当蒙脱土含量太高时，不利于蒙脱土在环氧树脂中的分散，蒙脱土相互之间碰撞，形成了团聚，蒙脱土与环氧树脂不能紧密的接触，同时还有可能产生应力集中。

（2）弯曲性能

蒙脱土对环氧树脂的弯曲强度、弯曲模量影响不难看出，在环氧树脂中加入蒙脱土可以有效的提高环氧树脂的弯曲性能，当加入的蒙脱土含量为2%时，蒙脱土改性环氧树脂的弯曲强度和弯曲模量分别为140.8MPa、2.856GPa，分别比没有加入蒙脱土的环氧树脂提高了14.6%和15.7%。

（3）蒙脱土对环氧树脂冲击性能的影响

蒙脱土对环氧树脂冲击强度的影响可以发现，在环氧树脂中加入适量的蒙脱土可以显著提升环氧树脂冲击强度，当蒙脱土含量为2%时，得到的蒙脱土改性环氧树脂的冲击强度提升最为明显，可以达到28.95kJ/m²，相比没有加入蒙脱土的环氧树脂提高了59.68%。同该材料的拉伸与弯曲性能类似，当蒙脱土含量大于2%时，环氧树脂的冲击强度反而降低。这也是因为蒙脱土含量太高时，在环氧树脂中发生团聚所引起的。

3.4蒙脱土改性环氧树脂复合材料的SEM分析

蒙脱土含量为0%时的环氧树脂冲击断口可以看出，未加入蒙脱土的环氧树脂断口表面光滑，鳞片较大，是典型的脆性断裂现象。蒙脱土含量为2%的电镜扫描可以看出断口表面鳞片明显变小，且变得杂多，表明蒙脱土的加入对环氧树脂断裂韧性提升显著。

4 结论

利用有机蒙脱土对环氧树脂复合材料进行改性研究，得到如下结论：

（1）通过对蒙脱土改性环氧树脂复合材料的XRD、FT-IR分析，判断出蒙脱土与环氧树脂之间发生了插层反应，可证明蒙脱土片层已经在环氧树脂中被完全分散剥离。

（2）经过蒙脱土改性的环氧树脂复合材料的力学性能显著提高，随着蒙脱土含量的不断增加，蒙脱土/环氧树脂复合材料的力学性能先升高后降低。当有机蒙脱土含量为2%时，力学性能最优。其拉伸强度和拉伸模量相比未加入蒙脱土的环氧树脂分别提高了17.7%和25.9%。弯曲强度和弯曲模量分别提高了14.6%和15.7%，冲击强度提高了59.68%。

参考文献

1. 梁国正, 顾嫒娟．双马来酰亚胺树脂[M]. 北京:化学工业出版社, 1997

2. 何睿. 环氧树脂市场消费与发展趋势[J]. 中国涂料, 2006

3. 窦宝捷. 环氧树脂胶粘剂增韧改性的研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2013

4. 王合情, 曹诺, 肖卫东, 胡高平. 纳米有机蒙脱土改性环氧树脂的研究[J]. 现代塑料加工应用, 2007

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