氰酸酯基纳米复合材料的制备与结构性能研究

摘要

氰酸酯树脂是一种新型的热固性树脂,它在宽广的温度和频率范围内保持低且稳定的介电常数和介电损耗,并具有良好的耐热性能和工艺性能,这些性能使氰酸酯树脂拥有作为高性能复合材料基体树脂的优越性,但其韧性和模量还有待进一步提高。本论文是希望通过无机纳米粒子改性氰酸酯树脂体系的研究,获得具有优良的机械、化学、热及介电等性能的氰酸酯树脂基复合材料,同时探讨纳米粒子改性氰酸酯树脂体系固化反应的变化,结构性能关系等基础问题。
　　 第一部分利用异氰酸酯和羟基的反应以及聚脲化学反应将芳香族二胺(MDA)接枝到凹凸棒表面,制备了有机改性的凹凸棒。经过MDA修饰后的凹凸棒的与氰酸酯单体相容性明显改善,在单体中的悬浮稳定性得到有效提升。并成功制得共价键合的凹凸棒/氰酸酯纳米复合材料。研究了凹凸棒在氰酸酯树脂单体中形成的愈渗网络结构,探讨化学改性后凹凸棒在氰酸酯单体中的分散形态以及随浓度变化的趋势,发现改性凹凸棒的加入会明显增大体系的粘度并使其表现出一定的剪切变稀行为,8wt％含量高剪切下的粘度比纯树脂单体增大了10倍,并发现其在氰酸酯单体中的临界愈渗浓度在10wt％左右。通过DSC和化学流变的测试证明了改性凹凸棒粘土对氰酸酯树脂固化强烈的催化作用,发现粘土的加入能明显降低氰酸酯固化的放热峰温,并且将此催化作用主要归因于改性后粘土表面丰富的氨基。进一步还发现由于氰酸酯树脂固化后期扩散控制的特性,加入粘土导致的体系粘度上升会使凝胶后固化反应受阻,可能导致固化后树脂的交联密度有所降低。FTIR,DMA等手段证明了凹凸棒和氰酸酯之间形成的异脲结构键合,结合氰酸酯与氨基反应的基本理论,给出了可能的反应途径,合理地解释了异脲结构随反应的进行不断消失的现象。复合材料的弯曲模量、强度和断裂韧性随着凹凸棒含量的增加而提高,8wt％含量的三个值较纯树脂分别提高40％,42％和55％。最终结合对复合材料结构和性能的表征,提出了杂化网络结构概念,合理地解释了随粘土含量的变化复合材料结构的变化以及对其力学性能的影响。
　　 第二部分用制备了POM有机衍生物,采用溶剂混合的方法制备了POM/氰酸酯纳米复合材料,实现了无机粒子在树脂中的均匀分散,同时制备的复合材料薄膜也是第一次报道的氰酸酯基纳米复合材料的薄膜。薄膜的介电常数和介电损耗与纯树脂相比明显下降,介电性质得到有效改善。DSC测试发现改性后的POM粒子对氰酸酯的固化有一定的催化作用,使其能在较低的温度下完成固化；TEM观察发现POM粒子能均匀的分散在氰酸酯树脂中,高含量(10wt％)的情况下有一定团聚发生,但POM/氰酸酯纳米复合材料保持了纯树脂材料良好的透光性,这一点通过UV-vis光谱得到了验证。同时用DMA测试了薄膜的拉伸力学性能,添加粒子薄膜的拉伸模量明显高于纯树脂,具有更好的力学性能。