一种利用金纳米粒子光热效应固化环氧树脂的方法

摘要

一种利用金纳米粒子光热效应固化环氧树脂的方法，它涉及一种固化环氧树脂的方法。它为了解决现有固化环氧树脂所采用的热辐射加热方法存在固化所需的时间长、固化交联度低及力学性能差的问题。方法：一、间苯二胺与丙酮混合，超声分散后得间苯二胺溶液；二、TDE-85环氧树脂与间苯二胺溶液混合，得胶液，加金纳米粒子，得混合胶液；三、混合胶液抽真空后用光源照射，即完成。本发明提出了一种全新的光固化理念，并且相比于传统的热固化方式，树脂固化时间更短、具有更高的固化交联度与更高的力学性能。本发明建立了一种局部固化方法，可以做到准确局部固化，最小固化尺寸可达到1mm

说明书

技术领域

本发明涉及一种固化环氧树脂的方法。

背景技术

环氧树脂是一种从液态到粘稠态、固态多种形态的物质，属于热固性树脂。自1938 年问世以来，环氧树脂已广泛应用于涂料、浇铸料、模压料、胶粘剂、复合材料基体等方 面，它以直接或间接使用的方式应用到从日常生活用品到高新技术领域的国民经济的各个 方面。环氧树脂最大的特征是含有反应活性很高的环氧基，具有优异的物理、化学性能。 在热固性树脂中，环氧树脂及其固化物的综合性能很好，已成为国民经济发展中不可缺少 的材料，其产量和水平在一定程度上也反映了一个国家的工业技术的发达程度。

环氧树脂甚少有单独的使用价值，只有与固化剂反应生成三维网状结构的不溶不熔聚 合物才有应用价值，环氧树脂的固化反应主要是通过环氧基的开环反应来完成的。环氧树 脂只有在与固化剂进行固化反应生成三维交联网状结构的固化物时才能实现其各种性能， 而未固化的环氧树脂一般是粘性液体或者脆性固体，不能体现其实用价值。并且在固化过 程中为了得到交联度更高，各项性能更好的环氧树脂，在固化过程中需要对树脂加热升温。 传统的加热方式大多为热辐射加热，存在固化所需的时间长(6小时左右)，固化交联度 低(95％左右)及力学性能差(拉伸强度65MPa左右，弯曲强度100MPa左右)的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有固化环氧树脂所采用的热辐射加热方法存在固化所需的 时间长、固化交联度低及力学性能差的问题，而提供一种利用金纳米粒子光热效应固化环 氧树脂的方法。

利用金纳米粒子光热效应固化环氧树脂的方法是按以下步骤进行的：

一、间苯二胺与丙酮中按照25∶15的质量比混合，并超声分散10-20min，获得间苯 二胺溶液；

二、TDE-85环氧树脂与间苯二胺溶液按照100∶25的质量比混合，获得胶液，然后 加入粒径为30-100nm的金纳米粒子，加至金纳米粒子的质量分数为 5.0×10^-3wt％-9.0×10^-3wt％，获得混合胶液；

三、将混合胶液放入压强为20Pa的真空烘箱中5-15min，脱除气泡，在波长为 520-545nm的条件下，用光强为5W/cm²的光源照射混合胶液0.5-1.5h，然后用光强为 8W/cm²的光源照射混合胶液0.5-1.5h，再用光强为15W/cm²的光源照射混合胶液1.5-2.5h， 即完成利用金纳米粒子光热效应固化环氧树脂。

本发明提出了一种全新的光固化理念，并且相比于传统的热固化方式，用本发明固化 方法的树脂固化时间更短、具有更高的固化交联度(高达98.5％)与更高的力学性能(拉 伸强度高达76.8MPa，弯曲强度高达127MPa)。本发明建立了一种局部固化方法，可以 做到准确局部固化，最小固化尺寸可达到1mm²，适用于固化结构复杂的树脂基复合材料。

本发明的光固化机理与以往的光固化有本质上的区别，其原理是金纳米粒子在光辐照 下产生大量热，固化树脂的选择范围极大，具有更强的推广性。本发明的固化方式所需光 源的能量很小，因此可以做到远程固化，最远固化距离可以达到25m。金纳米粒子的升 温是受光照驱动的，这使得树脂固化受环境的制约更小。特别是在固化某些大型的材料设 备时，不便把试样放入烘箱，或者是某些特种环境下无法用加热设备加热，用光加热方便 灵活，为固化结构复杂以及需要在特殊环境下固化的树脂基材料提供了一种新的方式。

本发明利用金纳米粒子的局域表面等离子体子共振(Localizedsurface plasmon  resonance，LSPR)效应对环氧树脂进行固化。金纳米粒子具有高度活跃的外层电子，当 光(电磁)波辐射到粒径远小于其激发波长的金属纳米粒子时，产生的表面等离子体波被 限定在纳米结构的附近，当入射光频率与自由电子集体振荡频率相当时则产生共振，被称 为LSPR；可以将金纳米粒子看成是由带正电的原子核和带负电的自由电子组成的，当金 纳米粒子表面受到入射光电磁波的作用时，原子核向正电区域移动，而电子云向负电区域 移动，导致局部区域电子分布不均匀。而当电子云远离核时，电子与核之间会产生库仑引 力，使电子向相反的方向移动，从而导致电子在入射光电磁波的作用下产生纵向震荡。当 电子的振荡频率与电磁波的振荡频率相等时，金纳米粒子会对光产生强烈的LSPR吸收， 这种能量会使金属粒子表面升温至几百摄氏度乃至上千度，升温状况与粒子的尺寸，光源 的频率以及强度有直接关系并可以计算得出，并且纳米粒子周围的基体升温情况也可以计 算得出。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任 意组合。

具体实施方式一：本实施方式利用金纳米粒子光热效应固化环氧树脂的方法是按以下 步骤进行的：

一、间苯二胺与丙酮中按照25∶15的质量比混合，并超声分散10-20min，获得间苯 二胺溶液；

二、TDE-85环氧树脂与间苯二胺溶液按照100∶25的质量比混合，获得胶液，然后 加入粒径为30-100nm的金纳米粒子，加至金纳米粒子的质量分数为 5.0×10^-3wt％-9.0×10^-3wt％，获得混合胶液；

三、将混合胶液放入压强为20Pa的真空烘箱中5-15min，脱除气泡，在波长为 520-545nm的条件下，用光强为5W/cm²的光源照射混合胶液0.5-1.5h，然后用光强为 8W/cm²的光源照射混合胶液0.5-1.5h，再用光强为15W/cm²的光源照射混合胶液1.5-2.5h， 即完成利用金纳米粒子光热效应固化环氧树脂。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同是：步骤一中超声分散15min。 其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同是：步骤二中加入粒径为 50nm的金纳米粒子，加至金纳米粒子的质量分数为7.32×10^-3wt％。其它步骤及参数与具 体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同是：步骤三中将混合 胶液放入压强为20Pa的真空烘箱中10min，脱除气泡。其它步骤及参数与具体实施方式 一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同是：步骤三中在波长 为532nm的条件下，用光强为5W/cm²的光源照射混合胶液1h，然后用光强为8W/cm²的光源照射混合胶液1h，再用光强为15W/cm²的光源照射混合胶液2h。其它步骤及参数 与具体实施方式一至四之一相同。

实施例：

利用金纳米粒子光热效应固化环氧树脂的方法是按以下步骤进行的：

一、间苯二胺与丙酮中按照25∶15的质量比混合，并超声分散15min，获得间苯二 胺溶液；

二、TDE-85环氧树脂与间苯二胺溶液按照100∶25的质量比混合，获得胶液，然后 加入粒径为50nm的金纳米粒子，加至金纳米粒子的质量分数为7.32×10^-3wt％，获得混合 胶液；

三、将混合胶液放入压强为20Pa的真空烘箱中10min，脱除气泡，在波长为532nm 的条件下，用光强为5W/cm²的光源照射混合胶液1h，然后用光强为8W/cm²的光源照射 混合胶液1h，再用光强为15W/cm²的光源照射混合胶液2h，即完成利用金纳米粒子光热 效应固化环氧树脂。

本实施例中利用金纳米粒子光热效应固化环氧树脂方法与传统宏观加热固化树脂方 法相比，性能测试结果如表1所示，可见本实施例中利用金纳米粒子光热效应固化环氧树 脂方法具有更高的固化交联度与更高的力学性能。

对比：传统宏观加热固化体系为三步法逐步升温固化工艺：先在80℃下进行凝胶反 应，此阶段反应时间为2小时，之后100℃恒温固化2小时，最后在140℃下后固化4小 时。

表1

固化方法 固化度 拉伸强度MPa 弯曲强度MPa 传统热固化 96.7％ 70.5 106 光热固化 98.5％ 76.8 127