[发明专利]一种改善环氧树脂力学性能和耐热性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善环氧树脂力学性能和耐热性的方法，属于树脂基复合材料制备和应用领域。 

背景技术

环氧树脂是用途非常广泛的一类热固性树脂。固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，例如，优异的表面粘接强度，介电性能良好，固化收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，因而广泛应用于国防以及国民经济各部门，其中用作高性能复合材料基体也是其重要的应用领域之一。如其它所有热固性树脂一样，环氧树脂也存在着脆性大的缺陷，因此，针对环氧树脂的增韧研究一直是与其应用过程相伴随的工作。但传统的增韧方法，如添加橡胶、热塑性树脂增韧，往往在提高其韧性指标的同时，不可避免地导致其强度、模量及耐热性降低。 

纳米纤维素晶须近乎完美的结晶结构赋予其优异的物理化学性质。纯纳米纤维素晶须的杨氏模量在150GPa左右，拉伸强度在10GPa左右，有取代陶瓷和金属的潜力；加之纳米纤维素晶须独特的尺寸效应、表面和界面效应，可以同时提高环氧树脂的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率；另外，纳米纤维素晶须还具有生物可降解性、可再生性、来源丰富、价格低廉和密度低等优势，是新一代绿色复合材料中增强材料的宠儿。目前，国内外尚未见采用纳米纤维素晶须改性环氧树脂的报道。 

发明内容

本发明的目的是全面提高环氧树脂的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率等力学性能指标，同时改善其耐热和耐湿热性能，提供一种改善环氧树脂力学性能和耐热性的方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。 

一种改善环氧树脂力学性能和耐热性的方法，具体步骤如下： 

步骤一：制备纳米纤维素晶须 

将纤维素浸入浓度为45%～70%的硫酸水溶液中，液固比控制在17.5～50mL/g；在45℃～75℃的水浴中搅拌，反应时间不高于8h,加水稀释使反应停止，得到反应液A。将反应液A离心，除去上层清液。用水离心洗涤，再用N，N-二甲基甲酰胺置换得到纳米纤维素晶须淤浆B。 

步骤二：纳米纤维素晶须的表面改性 

1）将淤浆B与催化剂均匀混合得到淤浆C，其中，催化剂的质量为纳米纤维素晶须质量的10%～30%；通过添加N，N-二甲基甲酰胺溶剂，控制所得淤浆C中纳米纤维素晶须的质量分数在10%～18%； 

2）向淤浆C中加入长链脂肪酸、长链脂肪酸酐，其中，长链脂肪酸、长链脂肪酸酐的摩尔数为纳米纤维素晶须所含羟基摩尔数的1～20倍；在50℃～90℃下反应1h～8h，得到反应物D； 

3）将反应物D冷却到室温，离心，除去上层清液，底部的淤浆用乙醇洗涤，得到表面改性后的纳米纤维素晶须，称为滤饼E。 

步骤二1）所述催化剂为吡啶、4-二甲氨基吡啶和对甲苯磺酰氯； 

步骤二2）所述长链脂肪酸、长链脂肪酸酐为硬脂酸和十二烯基丁二酸酐。 

为了提高反应效率，在步骤二2）之前可以对淤浆C进行活化，活化方法为：将淤浆C在50℃～90℃下搅拌30min～90min； 

步骤三：制备环氧树脂纳米复合材料 

1）将滤饼E放入溶剂中超声分散，得到改性纳米纤维素悬浮液F； 

2）将环氧树脂溶解于悬浮液F中，其中，改性纳米纤维素占环氧树脂质量的1%～20%。加入固化剂，混合均匀；真空抽除溶剂后固化，缓慢降至室温，得到环氧树脂纳米复合材料。 

步骤三1）所述的溶剂为环氧树脂的溶剂；所述的溶剂包括苯、二甲苯、酮类、醇类；所述的溶剂为丙酮、乙醇； 

步骤三2）加入固化剂的同时也可以加入促进剂。 

有益效果 

本发明的一种改善环氧树脂力学性能和耐热性的方法，采用纳米纤维素为添加材料，首先通过对纳米纤维素进行表面改性，使其由亲水性物质转变为憎水性物质，一方面达到在环氧树脂中均匀分散，不团聚的目的，另一方面可起 到提高纤维素晶须与环氧树脂界面强度的目的。本发明的结果证实对纤维素晶须的表面疏水化改性是非常必要和成功的。在环氧树脂纳米复合材料中，拉伸强度最高为76.5MPa，较空白样提高了69%；断裂伸长率最高为9.79%，较空白样提高了333%；玻璃化转变温度最高为137℃，较空白样提高了34℃；吸水率最低为1.40%，较空白样降低了26%。 

本发明的一种改善环氧树脂力学性能和耐热性的方法，是以纳米纤维素晶须为填料，由于纳米纤维素晶须的强度高、杨氏模量高，加之纳米纤维素晶须独特的尺寸效应、表面和界面效应，可以同时提高环氧树脂的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率；除此之外，还可显著改善环氧树脂的耐热性和耐湿热性。