顆粒改性熱塑性復合材料國內外文獻綜述

李博

環(huán)氧樹脂較高的剛性強度、出色的尺寸強度和耐化學腐蝕性能，作為結構復合材料慣用的基材[1]。環(huán)氧樹脂具有脆性，因此，在開發(fā)較高性能環(huán)氧樹脂體系技術問題中，增韌改性一直是關鍵。 最早的橡膠彈性體作為添加劑對其進行增韌，1970年左右McGarry改用端羧基聚丁二稀丙稀腈（CTBN），直到1984年左右Kurauchi最初提出使用剛性納米粒子來增韌聚合物[2]，隨著材料制備技術的飛躍發(fā)展，添加顆粒的尺寸經歷了宏觀顆粒、微米量級到納米級的演變[3]。同時，納米顆粒較高的表面能，在與環(huán)氧樹脂混合時，易團聚從而形成團聚體，改性的效果越差。

直接分散共混法是將納米粒子直接分散共混在聚合物基質中，得到粒子改性復合材料的方法。混合前加入偶聯劑、用分散劑處理顆粒表面，減少生成顆粒團聚，團聚顆粒之間存在范德華作用力，混合后再采用20KHZ的超聲波進行分散[4]。Li等在納米粘土/橡膠/環(huán)氧樹脂復合材料的制備過程中，采用了共混法，選用硫化粉狀橡膠。實驗結果表明，納米粘土完全分散在材料中，抗沖擊性能比之前提高了107%。

研究發(fā)現，由于顆粒間存在范德華力和較高的表明活性，在制備過程中容易出現團聚現象，分散性能較差，力學性能隨之下降[4]。

He等[5]研究了納米顆粒CaCO3的分散性對環(huán)氧樹脂力學性能的影響，實驗結果表明，加入CaCO3納米顆粒的質量分數為4%時，經過KH550處理的粒子分散效果較好，材料的抗壓性能得到了提高，分別為13.5%和14.1%，未被處理的則下降了8.4%，后者僅提高了2.7%。Jiao等[6]使用PGMA處理的Al2O3納米粒子增強環(huán)氧樹脂，發(fā)現Al2O3納米顆粒的團聚減少，顆粒均勻分散在基體中，基體間的結合強度和粘合模量得到增強，界面效應增大[4]。

相遷移增韌的原理是在熱固性樹脂中加入一種熱塑性樹脂，兩者具有一定的相容性。在成型過程中，熱塑性樹脂增韌相產生遷移，增韌相大多富含在材料的層間，從而達到對復合材料抗損傷能力最弱的層間部分增的韌效果[7]。金相照片如圖1、2所示。

圖1：相遷移增韌復合材料層間形貌的金相照片

圖2：層間形貌放大細節(jié)照片

圖中，大量的增韌相集中在纖維的上下兩層之間，說明多數增韌相遷移到復合層。在固化過程，材料內部的熱固性樹脂與剩余的熱塑性樹脂通過反應誘導相分離，從材料的內部進行增韌[7]。此技術不僅大幅提高了樹脂基復合材料的韌性，保證了預浸料良好的工藝性，而且r程化應用更易完成。