液晶聚氨酯/環氧樹脂復合材料的制備與性能研究

蹇恒欣 張昱 盛喜慶 杜云慧 侯靜敏

摘 要：本文以對羥基苯甲醛和對苯二胺為原料合成了亞胺結構液晶基元，以二苯基甲烷二異氰酸酯、聚乙二醇（2000）和液晶基元為單體，通過溶液聚合合成具有亞胺結構的液晶聚氨酯（LCPUn）。將制備的液晶聚氨酯LCPU20與環氧樹脂（E-51）通過溶液共混的方式制備復合材料，探究了液晶聚氨酯含量對于環氧樹脂力學性能影響，結果表明環氧樹脂的力學性能獲得提高。

關鍵詞：液晶聚氨酯;環氧樹脂;復合材料;增韌

1.引言

環氧樹脂由于優異的力學性能、電性能和黏結性能被廣泛應用于眾多領域，但環氧樹脂存在著韌性差等缺點[1-4]。本研究擬合成新型結構液晶聚氨酯，通過溶液共混的方式制備液晶聚氨酯/環氧樹脂復合材料[5-8]。利用液晶聚氨酯在固化反應過程中在環氧樹脂基體中形成液晶微疇，起到微纖增強作用，提高環氧樹脂性能，擴大其應用領域。

2.實驗部分

2.1 實驗藥品及儀器

對羥基苯甲醛、對苯二胺、聚乙二醇（2000）、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）、二氨基二苯砜（DDS）：上海阿拉丁生物科技有限公司;無水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、對甲苯磺酸、丙酮：天力化學試劑有限公司;環氧樹脂DGEBA（E-51）：無錫鳳凰樹脂廠。

2.2 實驗儀器

差示掃描量熱儀：德國NETZSCH公司DSC-204;偏光顯微鏡：LEICA DMRX英國Linam公司;萬能測試儀：MTS公司CMT4204;掃描電子顯微鏡：日本 Hitachi S-4700;旋轉蒸發儀：北京神泰偉業儀器設備有限公司RE-201D。

2.3 試驗方法

2.3.1 液晶聚氨酯合成

（1）液晶基元N，N'-雙-（4-羥基亞芐基苯-1，4-聯胺）（BSP）的合成

按照圖1設計的合成路線，稱取對羥基苯甲醛和對苯二胺，其摩爾比為2：1，分別溶于50ml無水乙醇中，加入催化量（5wt%）的對甲基苯磺酸，回流反應4h，冷卻結晶，過濾，乙醇洗濾，得到黃色晶體，產率89%。

（2）液晶聚氨酯的合成

液晶聚氨酯合成路線如圖2所示，按照表3的投料比，將MDI、聚乙二醇2000和液晶基元加入三口燒瓶中，再加入DMF使其溶解，升溫至80℃，反應6小時。反應結束后，將產物冷卻至室溫并傾入水中，將所得沉淀用乙醇洗滌2至3次后抽濾，產物干燥。將得到的產物按照液晶基元的含量分別編號為LCPU0、LCPU10、LCPU20、LCPU30、LCPU40、LCPU50。

將不同配比的液晶聚氨酯LCPU20、DGEBA以及DDS在丙酮中混合均勻，再通過旋轉蒸發儀脫除丙酮，所得到的混合物在真空烘箱中脫氣，然后倒入預熱好的聚四氟模具中，固化條件160℃×6h，180℃×1h。

3.實驗結果及分析

3.1.液晶性能分析

如圖3所示，在偏光顯微鏡下，液晶聚氨酯升溫到Tm以上時，樣品開始流動視野變得明亮，進入液晶相，隨著溫度的升高，向列相的條紋織構出現，當溫度繼續升高至Ti時，條紋織構消失，進入各向同性相;降溫時，會觀察到同樣的條紋織構，含有不同摩爾分數液晶基元的液晶聚氨酯分別見圖3（a）-（f）。通過偏光顯微鏡分析證明了LCPU20具有最為寬廣的液晶區間。

圖4為不同含量的液晶聚氨酯LCPU20與環氧樹脂共混后固化產物力學性能。隨著液晶聚氨酯LCPU20添加份數的增加，環氧樹脂體系的拉伸強度和斷裂伸長率顯著增加。當液晶聚氨酯LCPU20含量增加到15wt%時，斷裂伸長率增加到3.7%，拉伸強度相對于未改性環氧樹脂增加了30%。表示LCPU20在基體中形成的液晶區域具有增韌效果。

本文合成了在寬廣的液晶區間內呈現出向列織影織構的液晶聚氨酯，通過溶液共混的方式制備了液晶聚氨酯/環氧樹脂復合材料。結果表明：通過合適的固化反應可以使液晶聚氨酯在共混體系的網絡中形成有序的液晶區域同時大幅提高了環氧樹脂力學性能。

參考文獻

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