用纳米SiO2改进环氧树脂胶粘剂性能研究

王仁俊,蔡仕珍

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳,621900)

    摘要:对用无机纳米微粒改性环氧树脂胶粘剂的理论依据、无机纳米微粒的分散原理进行了分析和叙述。依据此理论,用混合法将纳米ＳｉＯ2对环氧树脂胶粘剂进行了改性试验,取得了提高环氧树脂胶粘剂多项性能的良好结果。说明用无机纳米微粒改性环氧树脂胶粘剂是一个行之有效的方法。

    关键词:纳米微粒;环氧树脂胶粘剂;分散剂

    20世纪80年代Ｋurauchi等首先提出采用无机刚性粒子增韧聚合物,经过几十年发展,该方法成为材料改性最有效的途径之一。用无机刚性粒子对有机聚合物进行改性,可以提高聚合物的刚性、硬度和耐磨性,却又降低了聚合物的强度和韧性。科技界研究了纳米尺度的材料后,指出了纳米材料特性的4大效应:量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应。

    1改性的理论依据

    一般无机物填充聚合物提高材料刚性的同时会降低其韧性,但纳米材料却能够兼顾二者,原因何在?有人归因于银纹理论,即纳米粒子均匀地分散在基体中,当基体受到冲击时,粒子与基体之间产生微裂纹———银纹,同时粒子之间的基体也产生塑性变形,吸收冲击能,从而达到增韧的效果。随着纳米粒子尺寸变小,粒子的比表面积增大,粒子与基体的界面变大,会产生更多的微裂纹和更大的塑性变形,从而吸收更多的冲击能,增韧效果提高。

    王洪祚认为按传统观点,在纳米ＳｉＯ2等纳米粒子均匀分散于环氧树脂中后,当基体树脂受到外力冲击时,2者间会产生银纹。纳米粒子之间的基体树脂也产生塑性变形,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扩大,使纳米粒子与基体树脂之间接触面积增大。当材料受到外力冲击时会产生更多的银纹及塑性变形,并吸收更多的冲击能而达到材料增韧的效果。刚性纳米粒子的存在易于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,同时刚性纳米粒子的存在,使基体树脂银纹扩展受阻和钝化,最终停止,不致发展为破坏性开裂,从而产生增韧效果。

    2不加纳米微粒的胶粘剂配方及性能

    胶粘剂配方为:Ｅ51环氧树脂100份,651聚酰胺35份;试片粘接工艺为:试片为45#钢,处理方法为机械除锈→丙酮清洗→化学处理→水冲、吹干→偶联剂处理→粘接。

    粘接试件的固化工艺为:100℃保温3ｈ,随炉冷却。

    所测的胶粘剂的初始拉伸强度为70.4ＭＰａ,湿热老化后的拉伸强度为53.7ＭＰａ,强度保持率为67.4%;初始冲击强度为3.99ｋＪ·ｍ-2,湿热老化后的冲击强度为3.66ｋＪ·ｍ-2,强度保持率为91.7%。

    3胶粘剂中的纳米微粒分散方法的确定

    聚合物纳米复合材料中纳米组分虽用量少(5%～10%),但由于纳米微粒粒径小,比表面积大,表面能高,极易形成粒径较大的聚集体。使纳米组分难以发挥其独特作用,一旦纳米粒子在复合材料中发生相分离,其性能将降低到与传统复合材料相当的程度。因此纳米组分在聚合物(或其前躯体)中的分散是纳米复合材料制备过程的关键。在考虑分散方案时,首先考虑纳米微粒的湿润性。

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