基本信息
- 项目名称：
- 二氧化硅改性环氧树脂胶黏剂性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用聚氨酯增韧，纳米SiO2改性制备环氧树脂胶黏剂。用SEM观察微观结构，表明无机相在基体中相容性较好，形成“海岛结构”。采用电子拉力机、TGA及介电谱仪等方法测试材料的力学性能、热稳定性和介电损耗、介电常数等。表明：含量为2wt%时，剪切强度和弹性模量分别提高173%和95%，热分解温度提高8.1℃；介电常数随频率增加而下降，随SiO2组分增加而增大；介电损耗则随频率和SiO2组分增加而增加。
- 详细介绍：
- 环氧树脂属热固性高分子材料，具有优异的化学稳定性、耐热性、电气绝缘性和粘结性能，具有机械强度高、耐腐蚀、绝缘性能好、收缩性小、良好的加工工艺性能、吸水率低等特性。但由于纯环氧树脂固化后具有交联密度高，呈三维交联网络结构，因而存在质脆、耐疲劳性、抭冲击韧性差等缺点，在受到外界的冲击应力作用时，易发生应力开裂现象。另外，环氧树脂在固化过程中，由于体积收缩等原因，产生内应力，使得材料翘曲、开裂及强度下降等，难以满足日益发展的工程技术的要求，使其应用受到一定的限制。因此对环氧树脂的改性工作一直是中外研究的热门课题。 本研究是采用聚氨酯增韧环氧树脂，并利用有机化的纳米SiO2为改性剂制备纳米改性环氧树脂胶黏剂。通过扫描电子显微镜观察复合材料的微观结构，表明无机相在聚合物基体中的相容性较好，而且形成了“海岛结构”。采用电子拉力机、TGA以及介电谱仪等方法测试了复合材料的力学性能、热稳定性能和介电损耗、介电常数等性能。结果表明，纳米SiO2在一定的掺杂量下有利于力学性能的提高，当含量为2wt%时，材料的剪切强度和弹性模量比掺杂前分别提高173%和95%；热分解温度也有一定程度的提高，当掺杂2wt%时，热分解温度比掺杂前提高8.1℃；介电常数（ε）的变化表现为：随频率增加而下降，随无机组分增加而增大；介电损耗（tanδ）则随频率和无机掺杂量增加而增加，在频率为1000Hz时tanδ有最小值。这对环氧树脂应用领域的进一步扩大是一个很大的贡献。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本文主要以环氧树脂为基体，聚氨酯为增韧剂，以无机纳米SiO2粒子为填料，制备聚合物基纳米复合材料，并主要对该复合材料的电学性能进行研究，旨在为高性能绝缘复合材料的研制与应用提供理论依据，并拓宽其在电机、电器的绝缘零部件、电子计算机和其他电子控制装置领域中的应用。
科学性、先进性及独特之处
- 以环氧树脂为基体，采用热塑性树脂-聚氨酯为增韧剂，同时利用纳米材料的优异性能，既提高了材料的机械性能，也提高了其耐热性能和介电性能，并利用界面微结构理论分析了复合材料结构与各项性能间的关系，为制备性能更优异的复合材料奠定了基础。
应用价值和现实意义
- Nano-SiO2/PU/EP胶粘剂可以满足国防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空航天等领域结构材料的需求，对绝缘材料的发展和应用具有重要的推动作用。在此基础上可更进一步的研制性能更优异的复合材料。
学术论文摘要
- 采用聚氨酯增韧环氧树脂，并利用有机化的纳米SiO2为改性剂制备纳米改性环氧树脂胶黏剂。通过扫描电子显微镜观察复合材料的微观结构，表明无机相在聚合物基体中的相容性较好，而且形成了“海岛结构”。采用电子拉力机、TGA以及介电谱仪等方法测试了复合材料的力学性能、热稳定性能和介电损耗、介电常数等性能。结果表明，纳米SiO2在一定的掺杂量下有利于力学性能的提高，当含量为2wt%时，材料的剪切强度和弹性模量比掺杂前分别提高173%和95%；热分解温度也有一定程度的提高，当掺杂2wt%时，热分解温度比掺杂前提高8.1℃；介电常数（ε）的变化表现为：随频率增加而下降，随无机组分增加而增大；介电损耗（tanδ）则随频率和无机掺杂量增加而增加，在频率为1000Hz时tanδ有最小值。
获奖情况
- 1.Study on Properties of Epoxy Resins Modified by Nano-Silica被2010年第九届中国国际纳米科技（西安）研讨会论文摘要集收录现在已发表； 2.二氧化硅改性环氧树脂胶黏剂性能研究在2010年已被哈尔滨理工大学校报收录
鉴定结果
- 该申报者所合成材料的方法是可行的，性能分析是正确的，该材料具有一定的研究价值，申报材料中所阐述的内容是真实的。
参考文献
- 1.于良民, 刘璐. 聚氨酯改性环氧胶粘剂的合成及性能研究[J]. 粘接, 2006, 27(3): 6~8. 2.谢海安, 王伟. 聚氨酯改性环氧树脂的研究[J]. 应用化工, 2007, 36(8): 779~781. 3.LI Y, MAO S F. Study on the Properties and Application of Epoxy Resin/Polyurethane semi- interpenetrating Polymer Networks[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1996, 61(12): 2059-2063. 4.DENG S Q, LIN Y, KLAUS F. Fracture Behaviours of Epoxy Nanocomposites with Nano-Silica at Low and Elevated Temperature [J]. J Mater Sci. 2007, 42: 2766-2774. 5.谢宇，曹黎华．纳米粒子改性环氧树脂的研究进展[J]．应用化工，2008，37(3)． 6.ZHANG H L, ZHAO C X, WANG X Y. Preparation and Characterization of Epoxy-Silica Hybrid Materials by the Sol-Gel Process[J]. Journal of Materials Science. 2005, 40: 1079-1085. 7.王仁俊，蔡仕珍．用纳米SiO2改进环氧树脂胶黏剂性能的研究[J]．粘接，2005，26(4)． 8.惠雪梅，张炜，王晓洁．环氧树脂/SiO2纳米复合材料性能的研究[J]．工程塑料应用，2004，32(2)． 9.Birgit Bittmann, Frank Haupert, Alois K.Schlarb. Ultrasonic Dispersion of Inorganic Nanoparticles in Epoxy Resin. Ultrasonics Sonochemistry. 2009, 16: 622-628.
同类课题研究水平概述
- （1）国外研究 HSIEHK.H和HANJ.L制备了反应性聚氨酯，当聚氨酯和环氧树脂形成IPN结构时，二者之间还发生了接枝反应。力学测试结果表明：在一定范围内，随着聚氨酯含量的增加，材料的拉伸强度也增大，当聚氨酯含量超过一定值时，材料的拉伸强度反而降低。当PU/EP在19/81-27/73之间时，PU/EPIPN材料综合力学性能出现最佳值。 Suraj C. Zunjarrao, Raman P. Singh对加入了纳米和微米尺寸刚性粒子的环氧树脂进行了实验，实验对颗粒大小和硅烷处理效果对断裂韧性的影响进行了评估。结果得出，粒子分散性的提高和适当的硅烷处理都导致韧性的提高。关于粒子的尺寸，带有纳米大小铝颗粒的复合材料会导致更大的断裂结构，然而带有微米大小铝颗粒的复合材料会导致更大的韧性。 （2）国内研究 刘竞超等人通过超声波分散和偶联剂处理的方法使纳米二氧化硅粒子在环氧树脂中充分分散，制得了环氧树脂/纳米二氧化硅复合材料。研究表明，纳米二氧化硅粒子对环氧树脂/N，N-二甲基苄胺、环氧树脂/甲基四氢苯酐体系都有不同程度的增韧，而且纳米二氧化硅粒子的添加量影响其增韧效果，当其用量分别为5%、3%时，效果最为明显。其中对环氧树脂/N,N-二甲基苄胺体系冲击强度提高94%，断裂伸长率提高46%，拉伸强度也有所提高。 李小兵等采用超声波辅助强力机械搅拌，将经偶联剂（A858）改性的纳米二氧化硅及溶剂加入环氧树脂（E－44）中，二氧化硅用量从0增大到3wt%时，复合材料的冲击强度、拉伸强度及断裂伸长率分别从8.52KJ/m2、38.95MPa和21.7%增大到19.04KJ/m2、50.78MPa和25.6%，其起始分解温度也提高了5.3℃。 赵世琦等分别用平均粒径为11.34μm的滑石粉和平均粒径为12.44μm二氧化硅两种刚性粒子，经偶联剂改性后对环氧树脂进行增韧，在100g环氧树脂中加入100g滑石粉时改性体系的断裂韧性达到1.975MPa•m1/2，比未改性环氧树脂的断裂韧性0.81MPa•m1/2高出许多；而在100g环氧树脂中加入300g的经偶联剂处理的二氧化硅时，改性体系的断裂韧性为1.851MPa•m1/2；两种改性体系的冲击强度、弹性模量及耐热性均有所提高。断面电镜结果表明：上述两种刚性粒子改性环氧树脂的作用机理是以基体屈服变形和孔洞化为主。
