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无机纳米粒子填充改性环氧树脂的机理

  米无机粒子的存在赋予环氧树脂很高的力学性能,其强度、刚度、韧性、耐热性都有很大提高,具体表现在材料的冲击强度、拉伸强度、弹性模量的增大及玻璃化温度的提高。环氧树脂是综合性能优异的热固性树脂,因而得到了广泛应用,但是环氧树脂固化产物性脆、耐冲击性差、易开裂、不耐疲劳,对其进行各种改性以提高其性能成为环氧树脂研究热点。纳米无机粒子与环氧树脂复合后可使无机物的刚性,尺寸稳定性和热稳定性与环氧树脂的韧性、加工性揉合在一起,表现出增韧与增强的同步效应。无机纳米粒子填充改性环氧树脂的性质及作用机理是什么?
  
  纳米粒子的加入使复合材料的冲击强度得以大幅度提高,其作用机理较普遍接受的观点是:纳米粒子均匀分散于环氧树脂中后,如果基体树脂受到外力冲击,粒子与基体之间就会产生银纹,纳米粒子间的基体树脂也产生塑性形变,吸收一定的冲击能,随着粒子的微细化,其比表面积将进一步增大,使纳米粒子与基体树脂间接触面亦增大;当材料受到外力冲击时会产生更多银纹及塑性形变,并吸收更多冲击能而达到增韧效果。如果纳米粒子加入太多,在外力冲击时就会产生更大银纹及塑性形变,并发展为宏观开裂、冲击强度反而下降。
  
  刚性纳米粒子的存在易产生应力集中效应而引发其周围基体树脂产生银纹,吸收一定形变功;另一方面刚性纳米粒子的存在,使基体树脂内银纹扩展受阻和钝化,最终停止开裂,不致发展为破坏性开裂,从而产生增韧效果。纳米粒子的加入均使基体的拉伸强度得以提高。拉伸强度的增加,可能是由于无机粒子通过偶联剂的作用与环氧树脂发生物理或化学的结合,增强了界面粘接,因而纳米粒子可承担一定的载荷,使复合材料的拉伸强度增加。纳米粒子的加入均使基本的弹性摸量得以提高。对于微粒增强复合材料,载荷是由基体和微粒共同承担的,微粒以机械约束方式限制基体变形从而产生强化。微粒的束缚作用限制基体的运动和变形,而束缚作用的程度和微粒间隙、微粒性能及基体性能有关。
  
  纳米粒子的加入使环氧树脂的玻璃化温度升高的原因,纳米粒子与环氧树脂之间存在强相互作用,使玻璃化温度升高。表面处理后的纳米粒子,在基体中实际起到交联点的作用,一方面其表面有利于环氧树脂链的缠结,形成物理交联;另一方面其表面的表面处理剂与基体键合,形成填充粒子与基体间良好的界面结合,起到化学交联点的作用。因此随着纳米粒子的加入,交联密度增大使玻璃化温度升高。可见纳米粒子的加入可使体系的玻璃化温度明显升高,提高体系的耐热性。
  
  因此纳米粒子的改性机理具有明显特征,无机纳米粒子具有能量传递效应,使基体树脂裂纹扩展受阻和钝化,最终终止裂纹,不致发展为破坏性开裂;随着纳米粒子粒径的减小,粒子的比表面积增大,纳米微粒与基体接触面积增大,材料受冲击时产生更多的微裂纹,吸收更多的冲击能;无机纳米粒子具有应力集中与应力辐射的平衡效应,通过吸收冲击能量,使基体无明显的应力集中现象,达到复合材料的力学平衡状态;若纳米微粒用量过多或填料粒径较大,复合材料的应力集中较为明显,微裂纹易发展成宏观开裂,造成复合材料性能下降;基体中的无机纳米粒子作为聚合物分子链的交联点,对复合材料的拉伸强度及玻璃化温度的提高有贡献。
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