嵌段共聚物非共价修饰碳纳米管/环氧纳米复合材料的性能

采用原子转移自由基聚合法(ATRP)合成了嵌段共聚物聚苯乙烯/苯乙烯基芘丁酸酯(PS-b-PAH),并将其对碳纳米管(MWNTs)进行非共价键表面修饰(PS-b-PAH/MWNTs),采用浇注成型法制备了MWNTs/环氧树脂(EP)纳米复合材料。透射电镜表明,嵌段聚合物PS-b-PAH包覆于MWNTs表面,形成有机包覆层的厚度为17.7nm。嵌段聚合物修饰有效地改善了碳纳米管在环氧基体中的分散性并提高了PS-b-PAH/MWNTs/EP纳米复合材料的导电性。当PS-b-PAH/MWNTs质量分数为0.8%时,复合材料的阈渗值pc=0.124%(质量分数),较MWNTs/EP(pc=0.625%)降低了5倍;电导率为10-3S/cm,较MWNTs/EP高了3～4个数量级。     

蒙脱土和碳纳米管共掺改性环氧树脂复合材料的力学性能和热性能

采用有机化蒙脱土(OMMT)和碳纳米管(MWCNTs)2种纳米材料改性双酚A型环氧树脂。通过溶液共混法制备OMMT/EP、MWCNTs/EP、OMMT/MWCNTs/EP环氧树脂纳米复合材料。利用扫描电子显微镜观察了复合材料的冲击断面,测试了复合材料的力学性能和热性能,探讨了OMMT、MWCNTs增韧环氧树脂的机理。结果表明,当试样中OMMT质量分数为4%,MWCNTs质量分数为0.7%时,OMMT/EP、MWCNTs/EP和OMMT/MWCNTs/EP的冲击强度分别达到16.8kJ/m2,23.1kJ/m2,30.4kJ/m2,较未掺杂环氧树脂分别提高了16.7%,60.4%,110%。弯曲强度较未改性环氧树脂分别提高了27.54%,35.74%,54.12%。3种复合材料的热分解温度和马丁耐热温度均较未改性环氧树脂略有提高。     

一种多功能有机蒙脱土-纳米TiO2/环氧树脂复合材料

将有机蒙脱土（O-MMT）和纳米TiO₂共同复合到环氧树脂中,成功地制备出了一种高性能多功能O-MMT-纳米TiO₂/环氧树脂复合材料。由XRD检测结果和TEM观察结果证实,由于利用了O-MMT、纳米TiO₂与环氧树脂间的相互作用,蒙脱土（MMT）层被高度剥离,所得的二维MMT纳米单片与零维纳米TiO₂颗粒交错分布于树脂基体中。力学性能测试、热分析和耐沾污性试验表明,O-MMT-纳米TiO₂/环氧树脂复合材料的多项性能都比纯环氧树脂有大幅提高。     

取向碳纳米管/玻璃纤维增强树脂基单向层合板的制备及其力学性能

针对纤维增强树脂基单向复合材料横向刚强度低的问题,通过碳纳米管(CNTs)在单向复合材料横向方位取向控制技术研究,建立了一种CNTs在树脂基复合材料中电场取向装置,制备了取向CNTs/环氧树脂(EP)复合材料及取向CNTs/玻璃纤维(GF)增强环氧树脂基单向层合板,并对不同电场强度、CNTs含量对其力学性能的影响进行了试验分析。结果表明,施加300V/cm的取向电场时,添加0.2wt%多壁碳纳米管(MWNTs)/EP储能模量较未添加MWNTs时提高了68.42%,较随机方位分布MWNTs/EP提高了1.36%;取向MWNTs/GF增强单向层合板横向弯曲强度及模量比未添加MWNTs时分别提高了72.2%和92.1%,比随机方位分布MWNTs增强时分别提高了58.29%和61.43%;施加439V/cm的取向电场时,添加0.2wt%取向MWNTs/GF增强单向层合板横向弯曲强度及模量比未添加MWNTs时分别提高了64.7%和63%,比随机方位分布MWNTs增强时分别提高了51.42%和36.90%,取向CNTs/GF增强树脂基单向层合板横向刚强度均得到了大幅提高。     

碳纤维/碳纳米管-环氧树脂复合材料的耐老化性能

将环氧树脂基体与氨基化碳纳米管(MWNTs)复合,制备了碳纤维/氨基化碳纳米管-环氧树脂(CF/MWNTs-EP)复合材料。表征CF/MWNTs-EP三相复合材料的断面,并在标准条件下测试其冲击、拉伸等力学性能,研究了耐老化性能。结果表明:氨基化碳纳米管的加入明显提高了材料的耐盐雾性、耐热氧老化性和耐湿热性能。氨基化碳纳米管的加入改善了纤维与基体树脂间的界面性能,同时,促进了环氧树脂的固化,降低孔隙率,导致耐老化性能显著提高。当MWNTs-NH2的添加量(质量分数)为1.0%时,在72h和168h不同盐雾时间下,三相复合材料的耐盐雾老化性比CF/EP复合材料分别提高了61.8%和67.5%。在48h、96h和168h热氧老化时间下,三相复合材料的耐热氧老化性比CF/EP复合材料分别提高了43.5%、48.5%和41.7%。在72h和168h不同湿热时间下,三相复合材料的耐湿热老化性比CF/EP复合材料分别提高了52.8%和60.0%。     

纳米SiO2/玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料的制备和耐久性能研究

首先,利用上浆法,将改性纳米SiO_2与玄武岩纤维复合;然后利用手工铺料法,制备了纳米SiO_2/玄武岩纤维增强环氧树脂层状复合材料(S-BF/EP)。利用SEM对改性玄武岩纤维和玄武岩纤维/环氧树脂层状复合材料的表面形貌和界面形貌进行了研究;利用FT-IR、TGA和万能力学试验机对复合材料的分子结构、热解性能和耐久性能进行了研究。结果表明,纳米SiO_2成功被偶联剂改性,并均匀附着在玄武岩纤维表面,玄武岩纤维表面的粗糙度被有效地改善;S-BF/EP层状复合材料内纳米SiO_2对应的Si-O-Si键收缩振动,使得S-BF/EP层状复合材料比空白EP样品多出1 107和803 cm~(-1)两个振动峰;S-BF/EP层状复合材料降解温度比EP材料高10℃,其在建筑材料应用方面更有优势;S-BF/EP层状复合材料的抗拉强度和抗弯强度分别为489和987 MPa,均高于环氧树脂材料样品的368和795 MPa;经过95℃湿热老化后,S-BF/EP层状复合材料抗拉强度和抗弯强度性能损失分别为23.9%和9.6%,明显低于空白EP样品的32.9%和36.6%;断裂面SEM分析表明,S-BF/EP层状复合材料中纤维与环氧树脂基体结合紧密,未发现裂纹或者缝隙。     

四嗪改性碳纳米管环氧摩擦材料的研究

利用Diles-Alder反应,采用3,6-二氨基-1,2,4,5-四嗪对碳纳米管(CNTs)改性处理,考察了改性处理对碳纳米管表面结构、分散程度以及对环氧复合材料性能的影响,通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)Raman)分析了材料表面磨损形貌、多壁碳纳米管(MWNTs)分散程度以及碳纳米管结构变化,并探讨复合材料摩擦磨损机理、四嗪与碳纳米管反应机理.结果表明,通过四嗪化合物处理碳纳米管后,碳管表面连接活性基团氨基,结构形态发生改变,提高碳纳米管在基体中分散性和复合材料摩擦性能,8h处理MWNTs/EP比未处理MWNTs/EP复合材料摩擦系数降低6.5%,磨耗率降低71.4%.     

碳纳米管-有机化蒙脱土多维纳米界面构筑及其对环氧树脂的增韧机制

分别采用混酸、环氧树脂（EP）和硅烷偶联剂对碳纳米管（CNTs）进行功能化处理,用十八烷基三甲基氯化铵对蒙脱土（MMT）进行有机化处理,将具有一维纳米尺度的CNTs和二维纳米尺度的有机化蒙脱土（OMMT）复合引入EP酸酐固化体系,通过溶液共混法制备纳米OMMT/EP、CNTs/EP、CNTs-OMMT/EP复合材料。使用简支梁冲击试验仪测试三种复合材料的冲击强度,并利用SEM观察纳米复合材料的冲击断面形貌。实验结果表明,当OMMT的含量为4wt%时,纳米OMMT/EP复合材料的冲击强度比未掺杂纳米组分的EP提高了16.7%。经硅烷偶联剂处理后的CNTs（Si-CNTs）能与EP基体形成良好界面,当Si-CNTs的含量为0.9wt%时,纳米Si-CNTs/EP复合材料冲击强度比未掺杂纳米组分的EP提高了84.0%。当OMMT的含量为4wt%、Si-CNTs的含量为0.9wt%时,纳米Si-CNTs-OMMT/EP复合材料的冲击强度比未掺杂纳米组分的EP提高了135.4%。管状CNTs和片层结构OMMT对EP的韧性具有协同提高作用。     

超高分子量聚乙烯纤维的液相氧化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能

为增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与环氧树脂(EP)基体之间的界面粘结强度,采用重铬酸钾溶液对UHMWPE纤维进行表面改性并制备UHMWPE纤维/EP复合材料。结果表明,UHMWPE纤维经液相氧化后表面刻蚀痕迹明显,表面粗糙度明显增加,结晶度增加了11.3%,与乙二醇的接触角减小了14.12°。与纯环氧树脂相比,纤维含量为0.4%的未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低18.04%,纤维含量为0.6%的液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低51.55%,未改性UHMWPE(纤维含量0.5%)和液相氧化改性UHMWPE(纤维含量0.4%)纤维/EP复合材料的冲击强度分别提升了3.29%和4.39%。当纤维含量为0.3%时,液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的弯曲强度比纯环氧树脂增加6.55%,比未改性UHMWPE纤维/EP复合材料增加19%。当纤维含量由0增大到0.5%时,改性和未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的摩擦系数先增加后减小。     

蒙脱土协同膨胀阻燃环氧树脂复合材料的制备及阻燃性能

以9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)、磷腈为基础单元合成阻燃剂六(4-DOPO羟甲基苯氧基)环三磷(DOPOMPC),将其与聚磷酸铵(APP)复配添加至环氧树脂(EP)制备出阻燃复合材料(DOPOMPC/APP/EP)。为进一步提高阻燃环氧树脂的阻燃及力学性能,添加不同质量分数的蒙脱土(MMT)制出新型阻燃环氧树脂材料(DOPOMPC/APP/MMT/EP)。通过极限氧指数(LOI)、水平燃烧、锥形量热、扫描电子显微镜观察等方法研究了蒙脱土与DOPOMPC的协同效应。实验结果表明,EP4(10%DOPOMPC/10%APP/3%MMT/77%EP)各项燃烧参数得到了最佳改善,复合材料综合表现最优。其中LOI值达到38.2%;热释放速率峰值较未经MMT处理的阻燃复合材料EP1(10%DOPOMPC/10%APP/EP)下降了29.1%;比消光面积平均值和一氧化碳释放率平均值分别降低了72.7%和65.5%;火势增长指数、发烟指数和毒性气体生成速率指数较EP1降幅分别达到38.2%、13.1%和34.0%;拉伸强度、弯曲强度和冲击强度比EP1分别提高了25.4%、12.7%和1.97倍,呈现出良好的阻燃、抑烟、抑毒性能。炭层宏观和微观形貌表明,添加MMT的阻燃材料在燃烧初期能够形成更致密、坚硬的优质炭层。     

聚苯胺接枝多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料的结构与力学性能研究

将十二烷基苯磺酸(DBSA)掺杂聚苯胺(PANI)接枝多壁碳纳米管(PANI-g-MWNTs)与环氧树脂(Epoxy)溶液共混、固化,制备了DBSA掺杂PANI-g-MWNTs/Epoxy复合材料。当核(MWNTs)-壳(DBSA掺杂PANI)结构溶解分散于Epoxy溶液中时,MWNTs表面PANI的溶解和溶胀把MWNTs隔开,使MWNTs均匀分散在Epoxy基体中。复合材料固化后,断面呈韧性断裂特征,MWNTs均匀分布在基体中,MWNTs与Epoxy间存在较强的界面粘结。DBSA掺杂PANI-g-MWNTs的引入促进Epoxy的固化反应,固化起始温度、放热峰值温度和固化反应热较Epoxy降低。复合材料的拉伸强度、杨氏模量、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度较Epoxy分别提高61%、43%、78%、49%和33%。     

功能化纳米SiO2改性环氧树脂复合材料及其摩擦磨损行为与机制

运用共价官能化技术,实现纳米SiO_2表面接枝3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性(T-SiO_2),并制备功能化纳米SiO_2改性环氧树脂复合材料(T-SiO_2/EP),分析改性后纳米SiO_2表面官能团和化学元素的变化规律,测试T-SiO_2/EP的主要力学性能,研究其在干摩擦条件下的摩擦磨损行为与机制。结果表明:功能化纳米SiO_2的引入,有效改善了环氧树脂的力学与摩擦学性能,且当功能化纳米SiO_2含量为2%时(质量分数,下同),环氧复合材料(2%T-SiO_2/EP)的显微硬度和断裂韧度均达到最大值(70.2HD和1.02MPa·m~(1/2)),并具有优异的减摩耐磨性能。干摩擦条件下,2%T-SiO_2/EP复合材料的摩擦因数和磨损失重分别为0.49和1.7mg,较纯环氧树脂分别降低了31.9%和34.6%,较未改性纳米SiO_2增强的环氧树脂复合材料(U-SiO_2/EP)分别降低了14%和10.5%,并对相应的磨损机理进行了分析。     

BN表面沉积纳米Sn对BN/环氧树脂复合材料导热绝缘性能的影响

采用液相还原法,制备了BN表面沉积纳米Sn粒子(BN-Sn NPs)杂化材料,用于环氧树脂(EP)的导热绝缘填料。BN-Sn NPs表面纳米Sn的粒径和熔点分别为10~30 nm 和166.5~195.3℃。BN表面沉积纳米Sn后,粉体Zeta电位及压片的导热系数增加,EP滴在压片表面的接触角降低。在BN-Sn NPs/EP复合材料固化过程中,BN-Sn NPs表面纳米Sn熔融烧结,有利于填料相互桥联在一起,降低接触热阻,并改善界面性能,从而提高BN-Sn NPs/EP复合材料的导热系数。当填料体积含量为30vol%时,BN-Sn NPs/EP复合材料的导热系数达1.61 W(m·K)?1,比未改性BN/EP复合材料的导热系数(1.08 W(m·K)?1)提高了近50%。Monte Carlo法模拟表明,BN和BN-Sn NPs在EP基体中的接触热阻(R_c)分别为6.1×106 K·W?1和3.7×106 K·W?1。与未改性BN/EP复合材料相比,BN-Sn NPs/EP复合材料的介质损耗增加,介电强度及体积电阻率降低,但仍具有良好电绝缘性能。      

环氧改性酚醛树脂纳米复合材料的制备及性能研究

为提高酚醛树脂(PF)的耐热性和韧性,拓宽其应用范围,采用环氧树脂(EP)和纳米二氧化硅(SiO_2)对酚醛树脂进行改性,研究环氧树脂和纳米粒子用量对酚醛树脂综合性能的影响。测试结果综合分析表明,在环氧树脂用量为20%(wt,质量分数),KH560用量为20%(wt,质量分数),纳米SiO_2用量为1%(wt,质量分数)条件下,环氧/纳米SiO_2改性酚醛树脂复合材料的聚合时间和软化点得到提高,热分解温度达到416.2℃,冲击强度达到7.49kJ/m~2,具有较好的性能。     

联苯型热致性液晶接枝氧化石墨烯的合成及应用

以氧化石墨烯(GO)、4,4′-二(β-羟乙氧基)联苯(记为BP2)、环氧氯丙烷(ECH)等为原料,合成联苯型液晶接枝氧化石墨烯(LCE-g-GO)化合物,用于改性环氧树脂(EP)制备LCE-g-GO/EP复合材料。采用红外光谱(FT-IR)、差示扫描量热(DSC)、偏光显微镜(POM)、广角X射线衍射(WAXD)、热重分析(TGA)及扫描电镜(SEM)对复合材料性能进行表征。结果表明,当LCE-g-GO用量为5%,冲击强度提高到35.06 kJ/m2,是纯环氧树脂的2倍左右;同时,拉伸强度及弯曲强度分别提高了1.47、1.70倍,呈典型的韧性断裂。改性后复合材料的起始分解温度比环氧树脂明显提高,当LCE-g-GO用量为5%时,复合材料的起始分解温度达到375℃,比环氧树脂(351℃)提高了24℃。     

纳米SiO_2/石墨烯-阻燃环氧树脂复合材料的制备及性能研究

以环氧树脂(EP)作为基体材料,采用溶胶-凝胶法和表面改性工艺制备了基于氧化石墨烯和纳米SiO_2组成的新型石墨烯基杂化材料(r-SGO),并进一步制备了纳米SiO_2/石墨烯-阻燃环氧树脂复合材料(r-SGOn/EP)。利用FT-IR光谱、Raman光谱和SEM等手段,分析了复合材料的化学结构、微观形貌和界面结合性能,研究了不同含量的r-SGO对复合材料的机械性能、热稳定性和阻燃性能的影响。结果表明,大量的SiO_2通过共价键成功地吸附在GO表面;r-SGO能够均匀地分散在环氧树脂基体中,环氧树脂与纳米材料界面间有很强的相互作用,引入的r-SGO增加了环氧树脂网络的交联密度,提高了复合材料的热稳定性;随着r-SGO含量的增加,r-SGOn/EP复合材料的综合性能提高。r-SGO1.5/EP复合材料的玻璃化转变温度为199℃,抗拉强度为71 MPa,导热系数为0.29 W/(m·K),初始降解温度为345℃,最大降解温度为453℃。r-SGO1.5/EP的最大质量损失率低于r-SGO0.5/EP,热稳定提高。r-SGO1.5/EP复合材料的最大极限氧指数(LOI)值为30.5%,r-SGOn/EP复合材料通过燃烧过程可以转变为具有较高热氧化稳定性和高径厚比的SiO_2纳米片,其片层具有良好的吸附性和阻隔功能,能够有效地发挥层状结构的阻燃作用。     

纤维素纳米晶改性及其环氧树脂复合材料的制备与性能研究

采用酸水解法从微晶纤维素中提取纤维素纳米晶(CNC),再分别用硅烷偶联剂和2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化剂对纤维素纳米晶进行改性，然后采用浇铸成膜法制备纯环氧树脂膜、含量为5%CNC、偶联改性CNC(K-CNC)及其TEMPO氧化改性CNC(T-CNC)/环氧树脂(EP)复合材料。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见分光光度计、热重分析仪和万能材料试验机对试样表面薄膜形貌结构、透光性能、热学性能、机械性能进行测试。结果表明：加入T-CNC及其K-CNC的EP复合材料，断面比纯EP膜更加粗糙，裂纹增加。加入CNC及改性后的CNC,EP复合材料的透光率有所降低，T-CNC/EP复合膜的透光率为83.9%,降低幅度最小，K-CNC/EP膜的拉伸强力为38.37MPa,拉伸强力最大，K-CNC/EP膜弹性模量为513.89MPa,和纯EP膜相比，其弹性模量增加了36.8%,T-CNC/EP及K-CNC/EP复合膜的热分解温度分别增加了7℃和10℃,热稳定性得以改善。     

聚醚铵改性蒙脱土对纳米蒙脱土/聚丙烯复合材料微观结构的影响

采用自制的2种大层间距(层间距分别为6.72nm和8.66nm)的聚醚铵(POP)改性蒙脱土(MMT)OMMT1和O-MMT2,通过共混法与增容剂马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)或聚丙烯(PP)复合,考察了共混方法、共混时间、POP改性MMT的层间距及PP-g-MAH对MMT/PP-g-MAH和MMT/PP复合材料微观结构的影响。研究结果表明:由于O-MMT1具有较大的层间距,在溶液共混和熔融共混中,均能使MMT在PP-gMAH基体中发生剥离;随着共混时间延长,O-MMT1由插层型经过过渡状态向剥离型转变,最终可以获得完全剥离的纳米MMT/PP-g-MAH复合材料;在溶液共混的过渡态中存在大量"双层结构"的MMT片层;具有更大层间距的O-MMT2以及PP-g-MAH的加入均能更有效地促进MMT在PP基体中的剥离,从而获得完全剥离的纳米MMT/PP复合材料。     

碳纳米球基氮-磷-硫复合阻燃剂的合成及其对环氧树脂的阻燃性能

以碳纳米球(CNSs)为核、六氯环三磷腈(HCCP)和氨基二苯砜(DDS)为桥梁和接枝剂制备一种碳纳米球基氮-磷-硫复合阻燃剂(CNSs-H-D)并表征其形貌结构和热稳定性,研究了这种复合阻燃剂对环氧树脂(EP)的阻燃性能和机理。结果表明：合成的CNSs-H-D是直径为80 nm的球状颗粒,热稳定性优异;CNSs-H-D添加量(质量分数)为5%的CNSs-H-D/EP,其LOI从EP的20.0%提高到27.5%,阻燃等级为V-2级,热释放速率峰值和火灾危险性指数比EP分别降低16.8%和42.2%;CNSs-H-D可显著提高EP的热稳定性和成炭性,CNSs-H-D/EP的初始分解温度比EP高40℃,高温残炭量提高了144.7%。CNSs-H-D/EP具有典型的凝聚相阻燃机理,其炭层的致密性和连续性好,初始失重温度比纯EP的炭层高190℃,800℃的剩余质量高达94.5%。     

超声振荡对多壁碳纳米管/VARTM用环氧树脂复合材料导电性能的影响

借助超声振荡工艺促进了多壁碳纳米管(MWNTs)在VARTM用环氧树脂(EP)中的分散,通过真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺制备了MWNTs/EP复合材料试样并研究试样的导电性能。结果表明,随着超声振荡时间、功率和频率的增大,不同MWNTs添加量的试样导电性能均呈现出先升高后降低的趋势。在超声振荡时间90min、功率80 W和频率45kHz附近分别达到了阈值,MWNTs的添加量仅1%就可以达到降低纯EP表面电阻率(1012Ω·cm)近4个数量级的要求。实验还运用扫描电镜(SEM)证实了MWNTs在EP中的分散情况。