纳米纤维素对环氧树脂改性体系结构及性能影响研究

摘要

环氧树脂（EP）由于具有优异的粘结性、尺寸稳定性及耐化学腐蚀等特点，广泛应用于涂料、胶黏剂、复合材料等领域。然而由于环氧树脂固化后交联密度高、内应力大，存在质脆、耐冲击性差、容易开裂等缺陷，一定程度上限制了其在工程上的应用。因此，对环氧树脂进行改性是十分必要的。　　纳米纤维素（CNF）由于具有力学性能优越、可生物降解和来源广泛等特点在理论和应用方面引起了广泛关注。因此，本课题首先选择纳米纤维素为增强相，研究了CNF对两种不同环氧树脂固化体系力学性能的影响。通过冲击、拉伸性能测试研究了纳米复合材料的拉伸强度和冲击强度。测试结果表明，添加CNF后EP/CNF复合材料的冲击强度随着CNF添加量的增加呈现先增大后减小的变化规律，EP-CNF最佳的添加量为0.2％，冲击强度达到最大值，与纯环氧树脂相比提高了60.96%。随着CNF含量的增加复合材料的拉伸强度整体呈现一直降低的趋势。　　为了进一步改善纯体系的力学缺点，将高玻璃化转变温度和力学性能的热塑性树脂加入到EP/CNF共混体系中，采用溶剂交换和熔融共混相结合的方法制备了纳米纤维素/聚砜改性的环氧树脂复合材料。通过冲击、拉伸性能测试和扫描电镜（SEM）研究了复合材料力学性能及断面形貌。结果表明：对于聚砜改性的环氧树脂二元复合体系，当聚砜含量为10%时，材料的冲击强度升高，但拉伸强度略有降低；而对于聚砜和纳米纤维素共同改性的环氧树脂三元复合体系，材料的拉伸强度和冲击强度均能提高，与纯的环氧树脂基体相比，添加0.3%CNF后的三元复合材料拉伸强度提高了5%，冲击强度提高了39.8%。采用热重分析（TGA）对复合材料热稳定性进行分析。结果表明CNF和PSF的加入可以提高环氧树脂体系的热稳定性。通过动态热机械分析仪（DMA）研究了复合材料的动态力学性能。结果表明纳米纤维素（CNF）的加入促使复合体系的玻璃化转变温度升高。　　另一方面，为了与聚砜改性效果进行对比，我们对低玻璃化转变温度及机械性能的热塑性树脂如聚己内酯（PCL）采用溶剂交换的方法将纳米纤维素（CNF）均匀分散到环氧树脂，并结合熔融共混法成功制备了环氧/聚己内酯（PCL）/CNF复合体系。　　通过扫描电镜（SEM）、拉力和冲击试验机考察了CNF的加入对环氧树脂/PCL共混体系形貌结构及性能影响。结果表明，CNF的加入对低浓度环氧树脂/PCL共混体系形貌结构及力学性能影响不大。而对高浓度环氧树脂/PCL共混体系形貌结构和力学性能影响较为明显：随着CNF加入量的增加，均能观察到比较明显的两相结构，但两相相区尺寸逐渐减小，PCL富集相的连续性增强；力学实验结果表明CNF的加入使材料的韧性和强度均能提高，冲击和拉伸强度分别较未添加CNF的体系提高了91%和24%。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 环氧树脂的概况

1.3 纳米纤维素

1.4 CNF的改性研究

1.5 本课题的研究内容和创新点

2 纳米纤维素/环氧树脂复合材料的制备及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验主要原料

2.3 主要仪器与设备

2.4 实验内容

2.5 性能测试与表征

2.6 结果与讨论

2.7 本章小结

3 纳米纤维素/聚砜/环氧树脂复合材料的制备

3.1 引言

3.2 实验原料及设备

3.3 实验内容

3.4 性能测试与表征

3.5 结果与讨论

3．6 本章小结

4 纳米纤维素对环氧树脂/聚己内酯共混体系结构及性能影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验过程

4.4 测试与表征

4.5 结果与讨论

4.6 本章小结

5 总结与展望

参考文献

致谢