纳米碳酸钙晶须的制备与表面改性及其应用研究

摘要

环氧树脂胶粘剂（简称EP胶）是一类应用很广的工程胶粘剂，它具有粘接性能好、固化收缩率小、化学稳定性好及耐介质耐热性能优异等优点，因而自1947年在美国正式商业化生产以来，获得了十分快速的发展。EP胶虽然用途广泛，但若不先对其进行增韧改性，则固化后的EP胶耐开裂性差，质地硬而脆，抗冲击强度较低。这些缺陷限制了EP胶在一些领域的应用，所以对其进行增韧改性、拓宽其应用领域、提高其使用价值具有十分重要的现实意义。
　　本文研究了在普通重力场下采用间歇鼓泡碳化法在醇-水混合体系中一步法制备纳米碳酸钙晶须，并对碳酸钙晶须进行表面改性，将改性后的纳米碳酸钙晶须最终用作环氧-聚酰胺类EP胶的增韧填料，探究其对EP胶力学性能的改善效果。主要研究内容及结论如下:
　　采用实验室自制的具备回流功能的碳化反应釜，运用间歇鼓泡碳化法分别在纯水体系、纯甲醇体系、乙二醇-水混合体系、丙三醇-水混合体系及甲醇-水混合体系中探究合成碳酸钙晶须的工艺条件，最终在甲醇-水混合体系中，Ca(OH)2初始浆料浓度为3.5％、CO2和N2流量分别为100mL·min-1和200mL·min-1、碳化温度为75℃、H3PO4添加量为2％、RVW/VA=5∶1、机械搅拌速率为800r·min-1的工艺条件下，合成了平均粒径为195.18nm、平均长径比约为21的CaCO3晶须。
　　分别用铝酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂对纳米碳酸钙晶须进行表面干法改性，以活化度和吸油值为主要考察指标表征改性效果。在分别以改性剂用量、改性温度、改性时间和机械搅拌速率作为单一实验变量的基础上，设计L9(34)正交实验，通过实验确定了铝酸酯偶联剂改性纳米CaCO3晶须的最佳工艺条件为:改性剂用量3.5％，改性温度90℃，改性时间25min，机械搅拌速率600r·min-1;硼酸酯偶联剂改性纳米CaCO3晶须的最佳工艺条件为:改性剂用量3.5％。改性温度70℃，改性时间30min，机械搅拌速率600r·min-1。改性后的CaCO3晶须活化度为100％，吸油值最低可达27.12g·100g-1，改性效果良好。
　　将活化后的CaCO3晶须作为增韧填料，通过三辊研磨机将其与纯环氧树脂复合，最后加入固化剂固化，得到EP胶复合材料。在本文研究范围内，用铝酸酯偶联剂改性得到的纳米CaCO3晶须对EP胶的增韧效果最佳，活性CaCO3晶须的最佳添加量为4％（以纯环氧树脂的质量计算）。与增韧前的空白样相比，EP胶复合材料试样的拉伸强度提高了57.35％，压缩强度提高了58.70％，弯曲强度提高了53.97％，无缺口冲击强度提高了44.4％。用SEM观察EP胶空白样和复合试样的断面形貌，可明显看到断口由原来的形貌规整变为布满复杂交错的银纹，断面由光滑变得粗糙，说明材料已由原来的脆性断裂转变为塑性断裂，成功实现增韧。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 引言

1．2 碳酸钙晶须概况

1．2．1 碳酸钙晶须的概念

1．2．2 碳酸钙晶须的性质

1．2．3 碳酸钙晶须的制备技术

1．3 纳米碳酸钙表面改性研究进展

1．3．1 表面改性剂

1．3．2 表面改性理论

1．3．3 表面改性工艺

1．3．4 活性纳米碳酸钙晶须的应用

1．4 环氧树脂胶粘剂概述

1．4．1 环氧树脂胶粘剂定义

1．4．2 环氧树脂胶粘剂的性质和应用

1．4．3 纳米碳酸钙晶须增韧增强EP胶的机理

1．5 实验内容及研究意义

1．5．1 研究目的和意义

1．5．2 研究的基本思路与内容

1．5．3 本研究的创新点

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 实验基础

2．2．4 工艺路线及实验装置图

2．2．5 间歇鼓泡碳化法制备纳米碳酸钙晶须

2．3 分析方法

2．3．1 激光纳米粒度仪分析

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．4．1 纯水体系

2．4．2 纯甲醇体系

2．4．4 丙三醇-水混合体系

2．4．5 甲醇-水混合体系

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 改性剂与改性方法的选择

3．4 分析方法

3．4．1 SEM分析

3．4．3 活化度、吸油值和白度的测定

3．5 结果与讨论

3．5．1 改性温度对改性效果的影响

3．5．2 改性剂用量对改性效果的影响

3．5．3 改性时间对改性效果的影响

3．5．4 机械搅拌转速对改性效果的影响

3．6 正交实验

3．6．1 铝酸酯偶联剂表面改性纳米碳酸钙晶须

3．6．2 硼酸酯偶联剂表面改性纳米碳酸钙晶须

3．6．3 两种改性剂改性效果对比

3．7 本章小结

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．3 环氧树脂胶粘剂复合材料制备方法

4．3 分析方法

4．3．1 拉伸强度测定

4．3．2 弯曲强度测定

4．3．3 压缩强度测定

4．3．4 无缺口冲击强度测定

4．3．5 SEM分析

4．4 结果与讨论

4．4．1 不同改性剂改性的碳酸钙晶须填料对环氧树脂胶粘剂的补强增韧效果对比

4．4．2 环氧树脂胶粘剂复合材料与空白样测试结果对比

4．4．3 不同形貌碳酸钙填料对环氧树脂胶粘剂的补强增韧效果对比

4．4．4 活性碳酸钙晶须填料用量对环氧树脂胶粘剂力学性能的影响

4．4．5 铝酸酯偶联剂改性碳酸钙晶须对环氧树脂胶粘剂力学性能的影响

4．5 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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