納米Al2O3/不飽和聚酯復合材料的制備及性能研究

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納米Al2O3/不飽和聚酯復合材料的制備及性能研究
聚合物基無機納米復合材料綜合了無機材料、有機材料、納米材料的優(yōu)良特性，在機械學、電子學、生物學等許多領域具有廣闊的應用前景[1~4]。熱固性塑料（如環(huán)氧、不飽和聚酯、酚醛等）和熱塑性塑料（如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、丙烯酸類塑料等）是廣泛應用于眾多領域的兩類重要材料。共混改性[5~9]是人們長期研究、開發(fā)和利用并不斷追求高性價比塑料的最常用手段之一。在共混法研究無機納米粒子填充改性熱固性樹脂的研究報道中，尚沒有發(fā)現(xiàn)象熱塑性樹脂那樣性能有成倍的提高[10~13]。本文通過研究，探索出一種有效的表面處理和分散工藝，使粒子能在聚合物中獲得均勻的分散，復合材料性能得到顯著的提高。
2 試樣制備與性能測試
2.1 試驗用原材料
納米Al2O3 (粒徑為40~80nm，工業(yè)級)、硅烷偶聯(lián)劑KH-570（工業(yè)級）、不飽和聚酯樹脂P65-901。
2.2 納米Al2O3的表面改性處理
稱取適量的納米Al2O3在烘箱中烘干待用；取粒子重量1%的KH-570硅烷偶聯(lián)劑用醇水溶液(水：無水乙醇=1：8～1：9)溶解；然后用冰醋酸將上述溶液的pH值調節(jié)至3.5～4.5；再用磁力攪拌器攪拌1.5～2h；在攪拌狀態(tài)下加入納米Al2O3 粒子，用電動攪拌機攪拌2h；將上述溶液放入真空干燥箱中抽真空脫水烘干，待用。
2.3 納米復合材料試樣的制備
將經(jīng)上述處理后的納米粒子在65~75℃保溫4h，去除其中的水分；按照樹脂用量的0%、1%、3%、5%、7%分別稱取粒子，加入到適量的苯乙烯中，用超聲波分散機振蕩0.5h；將含有粒子的苯乙烯溶液在攪拌狀態(tài)下逐漸加入到適量的不飽和聚酯樹脂中混合；將混合物進行高速攪拌，速度約15000r/min，時間0.5h；在攪拌狀態(tài)下將含粒子的不飽和聚酯樹脂混合物再次加入到一定量的不飽和聚酯樹脂中；經(jīng)過抽真空、澆注、固化、后處理，制取納米復合材料試樣。
2.4 性能測試
將制取的納米復合材料試樣的微觀組織進行了透射電鏡分析，測試了試樣的彎曲強度和沖擊強度，運用掃描電鏡分析了彎曲和沖擊破壞后的斷口形貌。
3 結果與分析
3.1 納米Al2O3在不飽和聚酯樹脂中分散的TEM分析
圖1、圖2分別是經(jīng)KH-570和未經(jīng)處理的納米Al2O3粒子在不飽和聚酯樹脂中分散情況的TEM照片?？梢钥闯?，未經(jīng)改性處理與改性過的納米Al2O3粒子，在相同的工藝條件下加入到不飽和聚酯樹脂中，前者主要以團聚態(tài)存在，后者的分布明顯改善，說明表面改性劑改變了粒子的表面狀態(tài)，阻止了納米粒子的團聚現(xiàn)象，有效地改善了粒子的分散效果。

未經(jīng)改性的納米粒子由于其比表面積大、表面能高，容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，同時由于納米粒子的親水特性，在分散到有機樹脂基體的過程中，進一步加速了這種團聚現(xiàn)象的發(fā)生。通過KH-570硅烷偶聯(lián)劑改性后的納米粒子，由于粒子與偶聯(lián)劑的官能團之間形成了化學結合，粒子由親水性轉變?yōu)橛H油性，有利于與樹脂基體的結合，并且經(jīng)過改性后的粒子表面的活性降低，再加上分散過程中采用了超聲振蕩和高速攪拌等工藝，粒子在樹脂中得到了相對均勻的分散。
3.2 納米Al2O3/不飽和聚酯復合材料的力學性能
圖3、4分別表示了納米粒子含量與樹脂的彎曲、沖擊強度之間的關系。結果顯示，Al2O3粒子（KH-570處理）/不飽和聚酯的彎曲強度、沖擊強度在粒子含量為1%時最低，隨著粒子含量的增加，性能逐漸提高，至粒子量為5%時最大，分別增加了20.5MPa（20.5%）、9.11kJ/m2（115%）。當粒子含量繼續(xù)增大時又呈下降趨勢。

用無機納米粒子來改性聚合物，會對聚合物起到增強增韌作用[14-15]。體現(xiàn)在樹脂基體彎曲和沖擊性能的提高。這是因為比表面積大的納米粒子表面缺陷多，非配對原子多，表面活性高，與聚合物發(fā)生物理或化學結合的可能性大，增強了粒子與聚合物的界面結合力，因此可承擔一定的載荷，吸收大量的沖擊能，從而表現(xiàn)出增強增韌的功效。另一方面，由于納米粒子粒徑小，造成應力集中，誘發(fā)了大量裂紋或稱銀紋，微小裂紋的擴展需要很大的能量，從而可以吸收大量的沖擊能量，提高了基體的沖擊韌性。當納米粒子的量增加到一定程度時，由于納米粒子的存在所產(chǎn)生的銀紋及塑性形變可能展開為宏觀開裂，彎曲、沖擊強度反而下降。
3.3 納米Al2O3/不飽和聚酯樹脂復合材料SEM分析
圖5、6分別是不飽和聚酯樹脂基體、5% Al2O3/不飽和聚酯復合材料試樣的彎曲斷口的掃描電鏡照片?？梢钥闯觯伙柡途埘渲w的彎曲斷口斷面光滑，解理面清晰。當在其中加入納米粒子后，其形貌發(fā)生了一定的變化：撕裂棱明顯增多，解理臺階密集。從裂紋的擴展過程來看，當納米粒子與基體結合牢固時，納米粒子對裂紋的擴展起著一定的阻礙作用。它通過粒子與基體的界面脫粘，增加裂紋擴展途徑等方式消耗斷裂功，從而對材料力學性能的改善作出貢獻。實驗中發(fā)現(xiàn)，在斷面上存在著一定數(shù)量的脫粘粒子。

圖7、8分別是不飽和聚酯樹脂基體、5% Al2O3/不飽和聚酯樹脂復合材料的沖擊斷口形貌?？梢钥闯?，沖擊破壞是試樣在較高應變速率下發(fā)生的破壞，其宏觀斷口形式主要有階梯狀、平直形等?；w材料與復合材料的斷口有較明顯的區(qū)別。微觀斷口上，基體呈脆性斷裂，斷裂面更加光滑。Al2O3/不飽和聚酯樹脂的其它斷裂面為平直型。微觀上斷裂浮凸明顯增加并逐漸減小，撕裂棱增多，并出現(xiàn)大量的脫粘粒子。在SEM照片上可見，沖擊載荷作用下，斷面上脫粘粒子的數(shù)量明顯多于彎曲斷口。根據(jù)沖擊強度隨粒子含量的提高有明顯增加的實驗數(shù)據(jù)可以判斷，粒子的脫粘消耗了較多的斷裂功。

4 結論
（1）Al2O3粒子通過硅烷偶聯(lián)劑處理后，能在樹脂基體中獲得均勻的分散。
（2）通過KH-570改性后的納米Al2O3加入到不飽和聚酯樹脂中，制成的納米復合材料的力學性能隨著粒子含量的增加而上升，當粒子含量為5%時，彎曲強度、沖擊強度達到最大值。
（3）粒子與樹脂基體有效的結合，對于提高復合材料的沖擊、彎曲強度有著關鍵性的作用。主要體現(xiàn)在粒子在脫粘的過程中所消耗的斷裂功的多少，當消耗的斷裂功較多時，復合材料的沖擊強度和彎曲強度就高。

[align=left][font=宋體][color=#000000]論文來源：中國功能材料及其應用學術會議[/color][/font][/align][align=left][font=宋體][/font][/align][size=2][font=宋體]高先生[/font][font=times new roman] 13632355684
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