[發明專利]一種高強度高韌性環氧樹脂復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710742829.2
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107556699B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 解孝林;劉經緯;葉昀昇;周興平;薛志剛
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K13/06;C08K9/02;C08K9/04;C08K7/24;C08F293/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明公開了一種高強度高韌性環氧樹脂復合材料及其制備方法，其中該環氧樹脂復合材料，包括環氧樹脂基體材料，以及分散于該環氧樹脂基體材料內部的改性碳納米管，所述改性碳納米管為表面經同時含柔性鏈與環氧剛性鏈的嵌段共聚物改性的碳納米管，所述改性碳納米管與所述環氧樹脂基體材料的質量比為0.05/100～0.5/100。本發明通過對關鍵的改性碳納米管添加劑的表面改性物質種類及相應結構，以及改性碳納米管的填充量等進行改進，選用同時含柔性鏈與環氧剛性鏈的嵌段共聚物改性碳納米管，與現有技術相比能夠在低填充量下，對環氧樹脂同時進行增強增韌。

技術領域

本發明屬于聚合物復合材料領域，涉及一種高強度高韌性環氧樹脂復合材料及其制備方法，具體是同時含柔性鏈與環氧剛性鏈的嵌段共聚物改性的碳納米管-環氧樹脂復合材料及其制備方法。

背景技術

環氧樹脂具有優異的加工性能、力學性能、電絕緣性、粘接性能和化學穩定性，廣泛應用于機械、航空航天、電子電氣、光學工程、化工、能源、國防等領域。但固化后的環氧樹脂脆性較大、耐疲勞性差等特點，限制了其在諸多高新技術領域的應用。

工業上解決環氧樹脂脆性問題的主要方法是添加橡膠粒子進行增韌。添加5～25wt％的橡膠通?？梢允弓h氧樹脂的臨界應力強度因子提高10～300％(具體見Polymer2011,52,760)，但同時也導致環氧樹脂的強度與模量大幅降低、玻璃化溫度下降、成本上升。最近出現的環氧樹脂/碳納米管復合材料備受關注。由于碳納米管巨大的長徑比和極高的拉伸強度(理論值達10-60GPa)，相比傳統短纖維和無機納米粒子，其對環氧樹脂具有更好的增強增韌效果。然而，由于高表面能和大長徑比，碳納米管易團聚、纏結多、與環氧樹脂的相互作用弱，因此其在環氧樹脂中難以均勻分散，與環氧樹脂基體的界面粘結強度低，最終其復合材料的力學性能無法達到預期效果，不能滿足對環氧樹脂同時增強、增韌的要求。

現有技術通過在碳納米管表面引入小分子的氨基、環氧基團或者聚合物來增強碳納米管在環氧樹脂中的分散性并提高碳納米管與環氧樹脂之間的界面作用。但是，由于改性結構單一，得到的材料強度和韌性提高都不大，而且都需要在0.5wt％的填充量以上才有增強增韌效果(具體見Polymer Reviews 2016,56,70)。在碳納米管與環氧樹脂之間構建界面粘接強度適中、又可形變的界面，充分發揮碳納米管承載載荷能力和橋聯裂紋增韌作用，是同時增強、增韌環氧樹脂的關鍵和技術難題。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，尤其是碳納米管在環氧樹脂中難分散、與基體之間的界面結構難以同時滿足既為碳納米管的形變提供空間，又與基體具有強度適中的界面粘接，難以在低填充量下對環氧樹脂同時進行增強增韌的缺點，本發明提供了一種高強度高韌性環氧樹脂復合材料及其制備方法，其中通過對關鍵的改性碳納米管添加劑的表面改性物質種類及相應結構，以及改性碳納米管的填充量等進行改進，選用同時含柔性鏈與環氧剛性鏈的嵌段共聚物改性碳納米管，與現有技術相比能夠在低填充量下對環氧樹脂同時進行增強增韌，嵌段共聚物修飾碳納米管與環氧樹脂兩者的質量比為0.05/100～0.5/100，嵌段共聚物修飾碳納米管這種改性碳納米管的填充量小于等于0.5wt％，復合得到的嵌段共聚物改性碳納米管-環氧樹脂復合材料的強度與韌性得到大幅提高；嵌段共聚物改性碳納米管在環氧樹脂復合材料中分散均勻，嵌段共聚物改性劑不僅提供了可形變的界面，而且保證了碳納米管與環氧樹脂之間較強的界面粘接強度，能夠在超低填充量下對環氧樹脂進行有效增強增韌；并且，本發明還通過對制備方法的整體流程工藝設計、以及各個步驟的參數條件(包括反應原料的種類及配比，反應溫度及時間等)進行優化，控制精準，步驟簡單、條件溫和、產率高，而且由于填充量超低，成本低廉。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供一種環氧樹脂復合材料，其特征在于，包括環氧樹脂基體材料，以及分散于該環氧樹脂基體材料內部的改性碳納米管，所述改性碳納米管為表面經同時含柔性鏈與環氧剛性鏈的嵌段共聚物改性的碳納米管，所述改性碳納米管與所述環氧樹脂基體材料的質量比為0.05/100～0.5/100。