Fe3O4/聚苯并噁嗪磁性纳米复合材料的制备及性能研究

摘要

苯并噁嗪树脂作为近年来出现的一类新型耐热性树脂，其噁嗪环官能团不仅可以通过一定的化学方法容易地合成，又可以在热或酸碱性催化剂作用下进行开环聚合反应。苯并噁嗪树脂具有一些优良的特性，如热稳定性，低吸水性，耐化学药品性、分子设计灵活性。因其固化过程无小分子释放、固化工艺简单、体积收缩率小，有优良的耐热阻燃性及机械性能和较高的玻璃化转变温度而受到广泛关注，并应用于许多重要领域。但是，苯并噁嗪树脂固化温度偏高、固化产物交联密度偏低、性脆等缺陷制约了其在一些特殊领域的应用。为了拓展其在高性能材料领域的应用，对聚苯并恶嗪进行改性，制备综合性能优良的材料，是研究聚苯并恶嗪的一个重要方向。其中制备聚苯并恶嗪纳米复合材料，是研究改性聚苯并恶嗪的一个重要分支。
　　本论文将噁嗪环修饰的Fe3O4@SiO2磁性纳米粒子(Fe3O4@SiO2eBZS)与聚苯并噁嗪进行复合，制备了Fe3O4/聚苯并噁嗪磁性纳米复合材料。首先，采用溶剂热法合成了分散性良好的Fe3O4磁性纳米粒子;其次，利用溶胶凝胶法，在Fe3O4磁性纳米粒子表面包覆一层致密的SiO2，以增强纳米粒子的耐氧化性，制备出Fe3O4@SiO2磁性纳米粒子;再次通过溶胶凝胶法在Fe3O4@SiO2磁性纳米粒子的表面包覆一层含噁嗪环的硅烷偶联剂(BZS)，制备出一种新型的Fe3O4@SiO2@BZS磁性纳米粒子。然后，通过一定的方法，将Fe3O4@SiO2@BZS磁性纳米粒子，均匀的分散到苯并恶嗪单体中，高温固化，制备了Fe3O4/聚苯并噁嗪磁性纳米复合材料，并对复合材料的力学性能、耐热性能以及磁性能进行了研究。
　　制备的Fe3O4@SiO2@BZS磁性纳米粒子，粒径尺寸在200-300nm之间;且分散性比较好;外层包覆的有机物的厚度约为10nm，其中有机物的质量占总质量的约4.2％;具有良好的耐热性，在氮气氛围中，700℃的重量残留率为89.6％;虽包覆了两层物质，但仍具有良好的磁性能，饱和磁化强度达到28.7emu/g。
　　对复合材料进行拉伸性能测试，结果表明，当复合材料中Fe3O4@SiO2@BZS磁性纳米粒子的含量为3％时，复合材料的力学性能最好，拉伸强度为64.9MPa，相比未改性的聚苯并噁嗪，提高了39.9％;断裂伸长率为2.20％，相比未改性的聚苯并噁嗪，提高了70.1％;但是，当复合材料中Fe3O4@SiO2@BZS磁性纳米粒子的含量为4％时，由于磁性纳米粒子过多，在聚苯并恶嗪中分布不均匀，发生团聚现象，造成复合材料出现缺陷，引起复合材料的力学性能开始下降，拉伸强度降为48.5MPa，断裂伸长率降为1.12％。对复合材料进行热重分析，结果表明，Fe3O4@SiO2@BZS磁性纳米粒子的加入可以提高复合材料的耐热性，复合材料的5％热失重温度、10％热失重温度、800℃时重量残留率相比未改性的聚苯并噁嗪均有所提高。当复合材料中磁性纳米粒子的含量为4％时，复合材料的5％热失重温度、10％热失重温度分别为335℃、360℃，相比未改性的聚苯并噁嗪分别提高了11℃、13℃;复合材料的800℃时重量残留率为62.5％，与未改性的聚苯并噁嗪相比，提高了13.8％。对复合材料进行磁性能分析，结果表明，复合材料具有良好的磁性能。