氧化铝纳米颗粒改性TDE-85型环氧树脂复合材料的制备和性能研究

摘要

TDE-85型环氧树脂/甲基四氢邻苯二甲酸酐(TDE-85/MeTHPA)是一种适合纤维湿法缠绕用的低粘环氧树脂基体。为了进一步提高TDE-85/MeTHPA固化物的综合性能,有必要对其改性,以满足其更高的使用要求。近年来的一些研究成果表明纳米氧化铝(nano-Al2O3)是一种性能优良的无机纳米改性剂,因此,本文选用纳米氧化铝颗粒来改善TDE-85环氧树脂的性能。本文通过超声波分散和机械搅拌相结合的方法将纳米氧化铝颗粒分散在环氧树脂基体中,然后用干燥箱对其固化来制备纳米氧化铝环氧树脂复合材料。利用差示扫描量热法研究环氧树脂的固化反应、玻璃化转变温度以及热分解温度,负荷变形温度由热变形温度测量仪测得。并利用拉伸试验机和冲击试验机测试复合材料的力学性能。用DSC非等温动力学研究了各种固化体系的活化能,结果表明,硅烷偶联剂中的羟基可以降低固化反应活化能,提高固化反应速度;纳米氧化铝的加入阻碍了分子的扩散运动,使固化反应活化能升高;并且,纳米氧化铝键合在分子链上可以降低环氧基和酸酐基的反应活性,使一些环氧基和酸酐基不能反应,从而降低了固化反应的放热。偶联剂可以有效地对纳米氧化铝进行表面改性,改性后的纳米氧化铝和基体有较好的结合力,能够同时改善环氧树脂强度和韧性。当硅烷偶联剂用量为4wt％时,对纳米氧化铝的表面改性效果较好。复合材料的拉伸强度和断裂伸长率在纳米氧化铝含量为2.5wt%时,达到最大值。而冲击韧度在纳米氧化铝含量为3wt%时达到最大,比不含纳米氧化铝时提高了103%。复合材料的负荷变形温度因纳米氧化铝的加入有所降低,但是在纳米氧化铝含量为2~3wt%时降低的幅度不大,而玻璃化转变温度降低的幅度却比较大。随着纳米氧化铝含量的增加,复合材料热分解特征温度随之降低,热分解活化能也有所降低。这些变化都是因为纳米氧化铝的加入降低了环氧树脂的交联密度。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 环氧树脂的简介

1.1.1 定义和发展史

1.1.2 环氧树脂的基本性能

1.1.3 环氧树脂的种类

1.1.4 环氧树脂的固化反应和固化剂

1.2 环氧树脂改性研究进展及环氧树脂纳米复合材料

1.2.1 填料改性环氧树脂

1.2.2 环氧树脂的增韧改性

1.2.3 环氧树脂纳米复合材料

1.3 纳米氧化铝在聚合物基复合材料中的应用

1.3.1 纳米氧化铝简介

1.3.2 纳米粉体的分散和表面改性

1.3.3 纳米氧化铝在聚合物中的应用

1.4 课题的选题背景、研究意义和研究思路

1.4.1 选题背景

1.4.2 研究意义、目的、方法和内容

第二章 试验方法及性能测试

2.1 试验原料及仪器设备

2.1.1 试验原料

2.1.2 仪器设备

2.2 试样制备

2.2.1 不含nano-Al_2O_3 环氧树脂的制备

2.2.2 不同nano-Al_2O_3 含量环氧树脂复合材料的制备

2.3 性能测试

2.3.1 DSC 测试固化反应过程

2.3.2 TG-DSC 法测试固化物的玻璃化转变温度和热分解温度

2.3.3 拉伸试验

2.3.4 冲击试验

2.3.5 负荷变形温度试验

2.3.6 扫描电子显微分析

第三章 环氧树脂固化行为及固化动力学研究

3.1 引言

3.2 动力学参数的计算方法

3.2.1 Kissinger 法

3.2.2 Ozawa 法

3.2.3 反应级数和Arrhenius 指前因子的计算方法

3.3 硅烷偶联剂用量对环氧树脂固化行为和动力学的影响

3.3.1 偶联剂用量对环氧树脂固化放热和峰温的影响

3.3.2 硅烷偶联剂用量对环氧树脂固化动力学的影响

3.3.3 机理分析

3.4 纳米氧化铝用量对环氧树脂固化行为和动力学的影响

3.4.1 纳米氧化铝用量对环氧树脂固化放热和峰温的影响

3.4.2 纳米氧化铝用量对环氧树脂固化动力学的影响

3.4.3 机理分析

3.5 小结

第四章 复合材料的力学性能分析

4.1 纳米氧化铝表面处理对环氧树脂力学性能的影响

4.2 纳米氧化铝含量对环氧树脂力学性能的影响

4.3 小结

第五章 复合材料的热性能分析

5.1 复合材料的耐热性

5.2 复合材料的热稳定性

5.3 小结

第六章 结论

参考文献

发表的论文

致谢