桐油酸酐固化环氧树脂蒙脱土纳米复合材料的研究.pdf
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1、第1 8 卷 第2 期 高分子材料科学与工程 v。1 1 8 N 2 0 0 2年 3月P OI YMER MATERI AL S S CI ENCE AND ENGI NE ERI NG M 200 2 桐 油酸酐 固化环 氧树脂 蒙脱土纳米复合材料 的研 究 徐卫兵 ,鲍素萍 ,唐述培,何平笙 中国科学技 术大学高分子科学与工程 系 安教 台肥 2 3 o:)2 0 台肥工业 大学化工学 院安赣 台 肥 2 3 0 0 0 9)摘要:通过阳 离子 交牧 的方法将蒙脱 土进行有机化 处理 使 蒙脱 土由素水挂 变成 亲油性且 层间距扩 走。采用浇模 目化成型法 制备环 氧树麝 桐油琏 酐 蒙
2、脱 土蚋采复合材料 并 用 X RD、DMT A 等手段研 究有 机 蒙脱 土在环 氧树 脂 中的剥离行 为。研 究发现 加入桐 油酸酐固化 剂后,粘土被剥 爵而得 到刺离型的蚺 末复合材料,而且工 艺每件 的变化并不明显陡 变刺 爵的效果。DMTA 酬试 表明桐 油琏酐 固化的环氧树 脂的玻璃 化转变温度随着粘土的加入 而降低。关 键词:囊脱土:环 氧树脂;桐油酸酐;剥离;玻璃化转变;储能模 量 中圈分类号:T B 3 8 3 文献标识码 A 文章编号;1 0 0 0 7 5 5 5(2 0 0 2)0 2 0 1 8 3 0 4 纳 米 材 料是 指 一些 超微 单元 组 成 的材 料,这
3、 些 超 微 单 元 至 少 有 一 维 的平 均 尺 寸 在 i 0 0 n m 以下,其 中纳米 聚合物复合 材料指分散相 的尺 寸 至少 有 一 维 在 纳 米 级,即 小 于 1 O 0 n m 范围内的聚合物复合材料。采用聚合物嵌入 层状硅酸盐(P I S)形成纳米复合材料 的方法越 来越受到重视。根据粘土在高聚物 中的分布情 况,可分成 3种类型的复合材料,a)在普通的 微粒填充聚合物 中,聚合物进入蒙脱土颗粒,但 无插 层 进 入硅 酸盐 片层 中,它 比相 容 性 差 的聚 合物分散更均匀,相容性较好,但还不是插层复 合物;b)插 层型纳米复合材料内,聚合物不仅 进 入蒙脱 土
4、颗 粒 而且 插层 进入 硅酸 盐片层 间 蒙 脱 土 的片层 问距 明显 扩 大,但 还 保 留 原来 的 方向,片层仍然具有一定的有序性;c)在剥离型 复合材料 中,蒙脱土的硅酸盐片层 完全被聚合 物打乱,无规分散在聚合物基体中的是一片一 片 的硅 酸盐 片 层,此 时蒙 脱 土片 层 与 聚合物 可 以无限制地混合均匀。P e n n a v a i a等【3 一 认为粘 土与环氧树脂混合 用间苯二胺固化时 存在层 内固 化和 层 外 固化,当层 内和 层 外固化 速 度相 当时,粘土发生剥离,并研究 了固化温度对层外 和层 内固化的影响。本文首次报道用一种高温 固化剂(桐油酸酐)制备蒙
5、脱土 环氧树脂纳米 收稿 日期:2 0 0 0 0 7 2 4 基 盒项目;安 教省 自特科学基金资助项 目 作 者简介;棘 卫兵(1 9 6 5 一)畀,博士 教授 复合材料,重点研究 固化时,分子链层外 固化速 度 和分 子链 向层 间迁 移 速度 对层 内和层 外 固化 的影 响,并对 固化产 物进 行 动态力 学热分 析,观 察其 玻璃 化转 变温度 及 储能 模量 的变化。1 实验部分 1 1 原料 钠 基 蒙 脱 土:离 子 交 换 容 量 约 为 l 0 0 retoo l 1 0 0 g,浙 江临安市 青 山化工 助剂厂 提 供;双酚 A 型环氧树 脂(E 一 5 1):环氧值
6、 为0 4 9 0 5 4 上海树 脂 厂 提供 桐 油酸 酐(T 0A):外 观为黄色粘稠状液体,合肥宝丰化工有限责任 公 司 提供;三(二 甲氨 基 甲基 苯 酚)(D MP 一 3 0):外 观 为黄 色低 粘 度 液体,皂 味 工 业级,合 肥 宝 丰化工有限责任公司提供;十六烷基三 甲基溴 化铵:分 子 式 为 C 。H B r N,分 析 纯,新 华 活 性 材料研 究所(常州)提 供。1 2 蒙脱土的有机化处理 在 室 温下,将 一 定量 的钠 基 蒙脱 土加 入 到 装有 蒸馏 承 的 三 口烧 瓶 中,缓 慢 搅 拌,呈 悬 浮 液,再将 铵盐清加到 蒙脱 土的悬 浮液 中(
7、按每 i 0 0 g土中加 入 3 O g十 六烷基 三 甲基 滇 化胺 的 比例),然 后恒 温 9 0搅拌 2 h,将 处 理 物抽 滤 维普资讯 http:/ 高 分子 材 料 科 学 与 工 程 数 次,加水 洗 涤,直 至 用 1 Ag NOa 滴 加 上层 清液,无淡 黄色 沉淀 为 止。将所 得 絮状 沉淀转 移 到烧 杯 中,烘 干 烘 箱温 度不 宜 过高,以 防季 铵 盐 分 解,烘 干 至 恒量 后 研磨 为 粉 末,过 3 0 0目 筛,得到 有机 蒙脱 土(1 6-Mo n t)。1 3 环氧树脂 蒙脱土纳米复合材料的制备 直 接混 台 固化 工 艺:按 一 定 比例
8、 称 取 环 氧 树 脂、有 机 蒙 脱土 及 固化 剂和 固化 促 进 剂 混台 均匀后,浇 注于 聚 四氟 乙烯模 具 中,真空 脱气 后 固化 成型。浇 注而 成的环 氧树 脂 呈薄条状,其 薄 条 尺寸约 为 6 0 mm1 0 mm2 mm。样 条 可以 根 据 测 试 手 段 的需 要 制 成 所 需 尺 寸 大 小 的试 样。1 4 测试与表征 采 用 X 射 线 衍 射 测 试 蒙 脱 土 的 层 问 距 的 变 化,X 射 线 衍 射(X RD)在 日 本 R i g a k u D ma x r B 型 X 射 线 衍 射 仪 上 进行,连 续 记 谱 扫 描,Cu Ka辐
9、 射(:0 1 5 4 n m),管 电压 4 o k V,电流 1 0 0 mA,扫 描 范 围 2 0=2 2。1 O。或 2 5。4 O。,扫 描 速 度 为 2。ml n,X 射 线 衍 射 测试 要 求 试样 表 面光槽 且 长约 2 0 mm。用 动 态力 学 热 分 析 法(D MTA)观 察 固 化 产 物 的粘 弹 性 行 为,其 升 温 速 率 为 5 C rai n,频 率 为 1 Hz,应 变 为0 0 1 ,起 始 静态力 为 l _ 3 N,采 用 的模 式 为动 态 拉伸 模 式,该 仪器(DM TA I v)由美国流变科学公司(R h e o me t r i
10、c S c i e n t i f i c )生产,动态测试热分析要求试样长 2 j mm,宽 4 mm5 mm,厚 0 5 mm1 mm。Fi g 1 x1 t D or i n o r g a n i c mo n t mo r t l l o n l t e ur v e b)n 州 t h e 0 r g n 呻 c l I y 1 6-M o n t【r u ty e)2 结果与讨论 2 1 蒙脱土的有机化处理 采 用 X 射 线衍 射 对 固化 产 物 进行测 试,利 用测 出 的一 级 衍 射 角,根 据 B r a g g方 程 2 d s i n 0 =“一1)计 算 粘土
11、层 问距 的大 小,从 而 确定 固化 产物是 普 通 的微 粒填 充物,还 是插 层 型 或 剥 离型 的复台 材料,用 X 射 线 衍 射 对 未 有 机 化 蒙 脱 土 进 行 测 试(如 Fi g 1 b),在 衍 射 角 2 0=9。的位 置 出现(0 0 1)面 衍射 峰,根 据 B r a g g方 程2 d s i n 0 一n A (此处 d是 硅 酸盐 片层 之 间 的平均 距 离,0为半 衍 射 角,为人 射 X 射 线 波 长)可 以推 算 出无 机 蒙脱 土 硅 酸 盐 片层 之 间(7 一1)的 距 离 约 为 0 9 8 nll l。为 了使 亲 水 性 蒙 脱
12、土 转 变 为 亲油 性 蒙 脱 土 便 于环氧树 脂分 子链 进入 硅酸 盐 片层 间,可 用十六 烷基三 甲基 溴 化铵来 处理 蒙脱 土。因为 十六 烷基三 甲基链 较大 能 撑大层 间距,并 能使 蒙脱 土变成 亲油 性。将 有 机蒙 脱土进 行 X 射线 衍 射测试,发现 衍射 峰 向低 角方 向移动,由未处 理 前 的 9。附 近 减 小 到 3 8 8。由 此 可 以 根 据 B r a g g方程计算 出硅酸盐片层(0 0 1)之间的距 离 由0 9 8 n ll l 增加 到 2 2 7 r i m,如 F i g 1 a所 示 这说 明季铵 盐 阳离子 已成 功地 进人到
13、硅酸 盐片 层 间,蒙脱土 的层问距 扩大,从 而有 利于 环氧单 体 的进人。2 2环氧树脂 桐油酸酐 蒙脱 土纳米复台材 料 的 x射 线衍 射测试 2 2 1蒙脱 土含量 对 固化 产物 的影 响:在相 同 的固化 工 艺 条 件 下(i 0 0 C,2 h)固 化,不 同 蒙 脱 土含 量 的 环氧 树 脂 固化 产 物 的 X 射线 衍 射 实验 结果 如 F i g 2所 示,Fi g 2 XRD o r t h e or g a n o c l a y 1 6-M o a t a nd 1 6-M o n t E P T OA DMP 一 3 0 h y b r i d s 根据
14、 B r a g g方程 可得,粘 土的层 问距增大,衍 射 峰对应 的 角度 减小,得到 的是插 层 型 的纳 米复合材料,若层间距进一步增大到一定程度,粘 土层 完全 被剥 离 开,在 X 射线 衍射 测 试范 围 内一 级衍 射 峰 消 失,则可 认 为 得 到 的是 剥离 型 的 纳 米 复 台 材 料 由 F i g 2可 得 到,有 机 土 维普资讯 http:/ 第 2 期 橡 卫兵等:桐油醴酐固化环氧树脂 蒙脱土纳米复合材辩 的研 究(0 0 1)面衍射峰(层间距为2 2 7 n m)消失,且在 5。附 近亦 无(0 0 1)面 的二级 衍 射峰 出现,因此可 以认 为 环氧
15、树 脂进 入 层 间固化,将 粘 土 片层 撑 开,从 而 制备 出剥 离 型 的纳 米复 合 材 料。P e n n a v a i a等口 认 为 环氧 树 脂 固化存 在 层 内固化 和层 外 固化 仅 当 中等 温度 固 化 时层 间 环 氧与 层外 环氧 固化速度 基 本相 等时,才使 粘 土剥 离。可 以认 为 酸酐 固 化 剂是 一 种 高 温固 化 剂,即使 温度 较 高,其 固 化速 度 容 许分 子 链来 得 及 进入 蒙脱 土 层 间,致 使层 内 固化和 层 外 固化 速 度相 当,从 而 使 粘 土 片层 完 全 剥 离。这与 Gi a n n e i l 等 一 发
16、 现 使 用 酸 酐(甲基 纳 狄 克 酸 酐)或 叔胺(二 甲基 苄胺)固 化剂 时,固化 后 粘 土 发生 剥离 是 一致 的。这 也说 明酸酐 固化时 层 内固化和 层 外 固化 速度相 当 便于 粘土 片层 的剥 离。Fi g 3 XRD of 5 m ls$1 6 一 M O n I EP TOA DM P一 3 0 na no omp o s i l e sd a l d i f f e r e n l c o n di t i o n F i g 4 X RD o f 1 0 ma s s 1 6 一 Mo a t E P T OA D MP 一 3 0 l l a n o e
17、o mp o s i t e s c u r e d a t d i f f e r e n t o p di t i o a 2 2 2 固化工艺的改变对固化产物的影响:对 于有 机蒙 脱土含量 分别为 5 (质量)和 1 O (质 量)的 环 氧 TOA 粘 土 体 系,在 低 温(8 O ),中温(1 0 0 C),高 温(1 2 0 C)条 件 下 固化 得 到 的固化 产 物的 X射 线衍 射如 F i g 3、F i g 4 所示。很明显,有 机蒙 脱土原 有 的(0 0 1)面 的衍 射 峰消失,在测 量 范 围 内无 XRD衍 射 且 在j 附近亦 无(0 0 1)面 的二 级
18、衍 射峰 出现,证 明在这 些 温 度下 固化,环 氧树 脂 进 入 到 蒙脱 土 的 片层 间,使 片层完 全剥 离,得 到剥 离 型的纳 米复 合 材 料。而 且 由此 可 以认为,在 实验 温度范 围 内,采 用 桐 油 酸酐 固化 环氧 树 脂 时,蒙脱 土片 层剥 离 的 实现 与 固化 温 度 无关。这 点与 P i n n a v a i a等 采 用 间 苯二 胺 固 化 环氧 粘 土 体系 所 得 的结 果 不 同,而 与漆宗 能 等 采用 4 4 一 二 胺基 二 苯 甲 烷 固化环氧树 脂 粘土 体 系所得 的结果 一致。2 3 环 氧树脂 桐 油 酸酐 蒙脱 土 纳 米
19、复 合 材 料 的 D MT A 分析 XR D 分 析 已表 明有 机 土 在 桐 油 酸酐 固 化 的环氧 树脂 中发 生剥 离。F i g 5示 出 了不 同台 量 的蒙 脱 土 时,桐 油酸 酐 固化 环 氧树脂 得 到 的 产物 的 t a n 图谱,可 以看 出,粘 土 的加 入 使 环 氧树脂的玻璃化转变温度 下降 且随蒙脱 土含 量增大,玻璃 化转变 温度 移 向低温。可见剥离 型 的 固化 产物 中,硅 酸盐 片层 无 规地 分散 在 环氧 树脂交 联 网中,使交 联 网 的空隙增 大,从而增 加 分子 链 的 自由运 动空 间,导致 玻 璃化 转 变 温度 下 降,而且 蒙
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- 桐油 酸酐 固化 环氧树脂 蒙脱土 纳米 复合材料 研究
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