《多元热固性树脂基纳米复合材料的双逾渗结构设计与性能研究》

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在两相不相容共混聚合物中加入炭黑(CB)设计制备双逾渗结构高分子复合材料是近年导电高分子材料研究热点之一。在该项目研究之前,两相不相容共混聚合物主要为热塑性树脂/热塑性树脂类型,而对以热固性树脂为主要基体的相关研究还未见报道。该项目创新性地利用环氧树脂(EP)/热塑性树脂共混体系在固化过程中发生的“反应诱导相分离”现象,实现纳米粒子在该体系中的选择性分布,从而设计出具有双逾渗结构的多相复合材料,所涉及的填料为纳米CB和碳纳米管(CNTs),热塑性树脂有聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)。该项目较好地完成了预期目标,获得的重要结果和成果如下:获得了四种碳纳米管表面改性的新方法,分别是Fenton试剂羟基化法、乙烯基类高分子链接枝法、水热法制备聚乙烯基吡咯烷酮包覆法,以及聚乙烯基吡咯烷酮衍生物修饰法,能够满足对CNTs亲水性和亲油性的不同使用要求。改性后的碳纳米管在环氧树脂中有较好的应用前景,其中较突出的是,Fenton试剂羟基化CNTs进一步用硅烷偶联剂KH560处理后,在使用量仅为0.25wt%时,复合材料的Tg、冲击强度、弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性分别提高了11.5℃、108%、32.8%、8.7%和20%。获得EP/热塑性树脂/CB或CNTs多元体系中实现双逾渗结构相形态的制备技术及其相关理论基础。溶液共混法是制备多元复合材料的最佳选择,CNTs或CB在EP/热塑性树脂中的分布仍主要受热力学控制,通过表面性质的调节能够控制其选择性分布。例如在EP/PEI体系中,原始CNTs和CB都选择性分布在PEI中,PEI含量为13wt%左右时,体系获得了双连续结构型双逾渗结构,当PEI含量超过16wt%时,体系获得了相反转型双逾渗结构。而经过PVP表面改性后,CNTs和CB均选择分布在EP中,无法形成双逾渗结构。获得了EP/热塑性树脂/纳米粒子多元体系中结构与材料性能之间的相关联系。当体系获得双逾渗结构时,获得了非常低的逾渗阈值,如在EP/PEI体系中可以获得0.25wt%CB的逾渗阈值,在文献报道中是非常低的。另外还发现双逾渗结构复合材料属于一种谐振腔式吸波体,具有较佳的吸波性能。但是在和纯的EP树脂相比,具有双逾渗结构的复合材料机械力学性能普遍下降,除了弯曲模量略有改善外,弯曲强度和冲击强度均下降较显著。因此双逾渗结构的复合材料更适合于电子信息功能材料的设计与应用,不适用增韧增强材料的设计与应用。发表10篇核心以上期刊论文,其中SCI、EI收录6篇,JCR小类三区收录1篇。申请国家发明专利4项,其中授权3项,公开1项。培养研究生5名。

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