纖維增強介孔SiO2/環(huán)氧樹脂復合材料的研究

劉蓬　焦劍　蔡宇

摘要：采用原位的溶膠-凝膠法，以烷氧基金屬化合物如正硅酸乙酯（TEOS）等作為硅源，制備SiO2/EP有機-無機互穿網絡結構的聚合物，無機相與有機相之間的均勻分散，起到質點增強的作用，大幅度提高聚合物的物理力學性能。以上述的復合物作為基體樹脂，制備玻璃纖維增強復合材料，研究了基體樹脂對纖維增強復合材料的力學性能和吸水性能的影響。

關鍵詞：納米二氧化硅；環(huán)氧樹脂；纖維增強材料；互穿網絡結構

中圖分類號：TQ327 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）07-0068-03

1 前言

介孔二氧化硅納米粒子具有孔材料和納米材料的雙重功能，在催化、吸附、分離、化學傳感和生物科學等應用領域具有獨特的優(yōu)勢[1～3]。雖然國內外的許多研究組使用了不同的方法進行嘗試，但是制備粒徑均一的、單分散的、尺寸可控的介孔二氧化硅納米粒子仍然是一大難點。硅基介孔材料是采用有機硅前驅體共縮聚的方法制備的介孔材料[4]。由于在制備時采用正硅酸乙酯（TEOS）或水玻璃（SS）等有機硅前驅體[5～7]，共縮聚形成的介孔骨架只有Si和O元素組成，所以其骨架為無機結構。

由水玻璃和正硅酸乙酯制備了蠕蟲狀的MSU-J，選用凝膠時間較長的TETA固化劑體系，與環(huán)氧樹脂制備纖維增強復合材料，形成有機-無機互穿網絡結構。使用相對規(guī)整的介孔SiO2對環(huán)氧樹脂有更好的增強增韌效果，并且較大且均勻分布的孔徑、比表面積以及三維連通的介孔孔道有利于聚合物在其中的充分填充，在提高聚合物的力學性能方面更為有益[8～11]。焦劍[12，13]等以正硅酸乙酯（TEOS）與氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）共聚縮合成一系列的氨基丙基修飾的蠕蟲狀介孔SiO2，發(fā)現(xiàn)其不僅對環(huán)氧樹脂有增強增韌的作用，而且隨APTES含量的提高，一部分氨基丙基進入骨架中，介孔SiO2粒子顯示出一定柔性，介孔復合材料的斷裂韌性不斷上升，這說明介孔材料自身的機械性能對所制備的介孔復合材料的力學性能也有影響[14，15]。

本文中，SiO2/環(huán)氧樹脂雜化材料具有優(yōu)異的力學性能、熱學性能、光學性能。將其應用于纖維增強復合材料中，并對纖維增強復合材料的力學性能和吸水性能進行測試。

2 實驗部分

2.1 原材料

DYD/DYDH系列雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51，工業(yè)級，大連齊化化工有限公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550），工業(yè)品，南京曙光化工集團有限公司；正硅酸乙酯（TEOS），分析純，天津市大茂化學儀器供應站；TETA固化劑，化學純，天津市化學試劑六廠；固化促進劑2，4，6-三（二甲氨基甲基）苯酚（DMP-30），工業(yè)品，嘉興市精化化工有限公司；無水乙醇、丙酮，分析純，西安三浦精細化工廠。

2.2 性能測試與結構表征

1）力學性能

拉伸性能：按GB/T 2568—1995用電子萬能實驗機測試試樣，記錄拉斷讀數(shù)，按式（1）（3）計算：

其中：σt為拉伸強度；P為破壞載荷；b為試樣寬度；h為試樣厚度。

其中：Et為拉伸彈性模量；L0為測量標距；ΔP為載荷-變形曲線上初始直線段的載荷增量；ΔL為與載荷增量ΔP對應的標距L0內的變形增量。

其中：εt為試樣拉伸破壞時的伸長率；ΔLb為試樣破壞時標距L0內的伸長量。

2）吸水性能

按GB/T 1462—2005測試。用電子天平分別稱量3次試樣質量，按式（4）計算：

Ma=M2-M3 （4）

其中：Ma為試樣的絕對吸水量；M2為試樣浸水后的質量；M3為試樣浸水再干燥后的質量。

若M3大于M1，絕對吸水量按式（5）計算：

Ma=M2-M1 （5）

其中：Ma為試樣的絕對吸水量；M2為試樣浸水后的質量；M1為試樣浸水前的質量。

2.3 纖維增強復合材料的制備

在TETA固化體系下，將玻璃布裁剪為30 cm×30 cm的正方形。在包有硅油紙的玻璃板上，以樹脂與TETA溶液為膠體，手糊12層（厚度大于2 mm）。在室溫下固化24 h獲得成型雜化材料，將雜化材料從玻璃板上取下，按照要求切割尺寸。測量不同組分樹脂制成玻璃鋼的含水性能，以及不同組分玻璃鋼的拉伸性能等。纖維增強材料的配方見表1。

3 結果與討論

3.1 纖維增強復合材料的力學性能

表2為纖維增強復合材料的力學性能，對比發(fā)現(xiàn)當TEOS用量增多時，材料的拉伸強度和斷裂伸長率最大，而材料的拉伸彈性模量相對較小；當TEOS的用量一定時，通過對第2組和第3組的比較，隨著KH-550的增多，材料的拉伸強度、拉伸彈性模量和斷裂伸長率都會隨之增大。E-51樹脂在加入了TEOS與KH-550后，力學性能有了明顯的提高。

3.2 纖維增強復合材料的吸水性能

表3為SiO2/環(huán)氧樹脂纖維增強復合材料的吸水性能。可以看出，當KH-550用量一定時，吸水量無明顯變化，而當KH-550用量增多時，用量越多，復合纖維增強材料的吸水性越低。

4 結論

綜上所述，對于纖維增強復合材料，當KH-550用量一定時，TEOS用量越多，材料的拉伸強度和斷裂伸長率越大；當TEOS用量一定時，隨著KH-550的用量增多，材料的拉伸強度、斷裂伸長率、拉伸彈性模量都會隨之增大。TEOS的用量對材料的吸水性不產生影響，但由于KH-550的加入使得材料內部結構更加致密，材料的吸水性能變差。

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