环氧树脂/蒙脱土复合材料的性质研究

＊刘羽熙 陈文心 王佳乐 荆祥海 仝新 贺雨生

（滁州学院材料与化学工程学院 安徽 239000）

环氧树脂具有良好的耐化学性和耐腐蚀性，尺寸收缩率小且较稳定，对材料的粘接性强，可广泛用于制备热固性复合材料、粘结剂和涂料等[1-2]。但由于环氧树脂刚性和脆性的结构，其抗冲击性能较差[3]。为提高环氧树脂的抗冲击性能，可制备环氧树脂/纳米黏土复合材料。利用有机/无机纳米技术制备聚合物基纳米复合材料，可以将纳米材料的良好性能与聚合物结合起来，赋予基体材料各个方面优越的性 能[4]。应用最广泛的纳米黏土类型为有机化改性的蒙脱土，因为有机化后的蒙脱土层间距很容易扩大[5]。

蒙脱土为层状硅酸盐，由于其具有很高的长径比和独特的插层/剥离特性，因此在作为聚合物的增强材料等方面受到了广泛关注[6]。这种具有适当剥离作用的粘土矿物可以使高刚度和高强度的片晶分散在聚合物基体中[7]。层状硅酸盐增强聚合物纳米复合材料是一种较新的复合材料，与传统的矿物复合材料相比，即使只添加少量硅酸盐，其性能也有很大的提高，具有很大的应用潜力[8]。以纳米尺度分散加入有机改性的蒙脱土可以进一步改善环氧树脂的性能。反应过程中，树脂的极性降低，允许更多的树脂分子渗透到蒙脱土层中，促进剥离结构。插层和剥离的程度是由蒙脱土的浓度和类型、树脂类型、固化剂和固化条件所决定的。

本文研究的目的是利用蒙脱土粒子增强环氧树脂的力学性能，提高其耐热性和耐介质性。通过拉伸试验和剪切试验对纳米复合材料的力学性能进行研究，利用扫描电子显微镜对其形貌进行表征，通过热变形温度测定评价其耐热性，利用酸和碱浸泡对纳米复合材料的耐介质性能进行研究。

1.试验部分

(1)试验试剂

有机化蒙脱土，型号DK-2，浙江丰虹新材料股份有限公司；环氧树脂，达森（天津）材料科技有限公司；固化剂，型号JH-593，杭州五会港胶黏剂有限公司；脱模剂，安徽众博新材料有限公司。

(2)试验仪器

电子天平（YP1002N），上海天美天平仪器有限公司；数显智能控温磁力搅拌器（85-2），江苏金坛宏凯仪器厂；真空干燥箱（XMTD-8222），上海精宏实验设备有限公司；微机控制电子万能试验机（CMT4304），美特斯工业系统（中国）有限公司；扫描电子显微镜（JSM-6510Lv），日本电子株式会社；热变形维卡软化点温度测定仪（XWB-300B），承德衡通实验检测仪器有限公司。

(3)环氧树脂/蒙脱土复合材料的制备

采用2步法制备环氧基纳米复合材料，首先将适量的有机化蒙脱土分散到预先在80℃下预热的环氧树脂组分中，反应在烧杯内进行，加入干燥的有机化蒙脱土后，在强烈的磁力搅拌下将树脂继续在80℃下加热1h，直至分散均匀。将得到的环氧树脂/蒙脱土复合体系置于真空干燥箱中，在真空条件下静置0.5h后冷却至室温。根据供应商提供的化学计量比（按照每100g环氧树脂加入28g固化剂的比例）加入JH-593胺类固化剂，搅拌5min至均匀且无明显分层现象。在硅胶模具内浇铸树脂之后，将模具放入真空干燥箱再次在25℃下真空负压0.5h，之后先把温度升到40℃固化2h，再把温度升到80℃固化2h。有机蒙脱土的重量分数为2%、4%、6%和8%。

(4)环氧树脂/蒙脱土复合材料的性能检测

采用CMT4304型（美特斯）微机电子万能试验机进行拉伸性能和剪切性能测定。采用XWB-300B型（承德衡通）热变形维卡软化点温度测定仪测定热变形温度。采用JSM-6510LV型（日本电子株式会社）扫描电镜（SEM）观察环氧树脂及掺杂蒙脱土后复合材料试样的拉伸断口形貌特征。

2.结果与讨论

(1)拉伸强度分析

图1为纯环氧树脂和蒙脱土含量分别为2%、4%、6%、8%的环氧树脂/蒙脱土复合体系的拉伸强度，取5个平行样条数据的平均值。由图中数据可看出，加入有机蒙脱土后，拉伸强度在蒙脱土含量为4%时达到最大值，然后随蒙脱土含量的进一步增加而降低。

图1 不同重量分数蒙脱土/环氧树脂复合材料的拉伸强度

复合材料拉伸强度最大值为44.6MPa，比纯环氧树脂提高了15.0%，这可能是由结构变化引起的。环氧树脂/蒙脱土复合材料形成插层结构，这意味着环氧分子链的运动受到蒙脱土片的限制。在环氧树脂/蒙脱土复合材料发生拉伸断裂之前，需要先破坏树脂基体以及蒙脱土片，因此拉伸强度增加。当蒙脱土的重量分数为6%和8%时，复合材料拉伸强度与纯环氧树脂相比并没有明显提高，这可能是因为此时蒙脱土在环氧树脂中分散程度较差，在试样制备过程中引入了大量气泡，导致试样具有明显的化学缺陷，所以拉伸强度下降。

(2)剪切强度分析

图2为纯环氧树脂和蒙脱土含量分别为2%、4%、6%、8%的环氧树脂/蒙脱土复合体系的剪切强度，取5个平行试样数据的平均值。由图中数据可看出，加入有机蒙脱土后，剪切强度在蒙脱土含量为4%时达到最大值，然后随蒙脱土含量的进一步增加而降低。

图2 不同重量分数蒙脱土/环氧树脂复合材料的剪切强度

复合材料剪切强度最大值为18.9MPa，比纯环氧树脂提高了32.8%，有机蒙脱土的插层和聚合物中三维网络的形成可提高粘接强度，其中的机理可能与填充体系界面内的抑制裂纹扩展有关。当蒙脱土含量大于4%时，剪切强度开始下降。这可能是因为，蒙脱土颗粒产生了团聚，在蒙脱土含量较大时，降低了蒙脱土在环氧树脂中的分散程度。在这种情况下，形成的大量蒙脱土团聚体可被认为是聚合物基体中的缺陷，产生应力集中，因此导致剪切强度的降低。

(3)热变形温度分析

图3为纯环氧树脂和蒙脱土含量分别为2%、4%、6%、8%的环氧树脂/蒙脱土复合体系的热变形温度，取4个平行样条数据的平均值。由图中数据可看出，加入有机蒙脱土后，热变形温度在蒙脱土含量为2%时达到最大值，然后随蒙脱土含量的进一步增加而降低。

图3 不同重量分数蒙脱土/环氧树脂复合材料的热变形温度

复合材料热变形温度最大值为48.0℃，比纯环氧树脂提高了11.6%。蒙脱土重量分数为4%的复合材料热力学温度为47.7℃，比纯环氧树脂提高了10.7%，热变形温度同样很高，与最大值接近。热变形温度的增加是由于聚合物分子链在蒙脱土片层中运动受到限制，因此改善了环氧树脂的耐热性能。随后，随着蒙脱土含量的继续增加，热变形温度有所下降，这可能与有机化蒙脱土的聚集有关。

(4)扫描电镜分析

图4是环氧树脂/蒙脱土复合体系的拉伸断口形貌的扫描电镜照片。由图4可以明显看出，纯环氧树脂的拉伸断口形貌表面较为光滑，与蒙脱土掺杂复合体系相比偏脆性。而环氧树脂/蒙脱土复合材料的拉伸断口形貌较为粗糙且凹凸不平，呈韧性断裂。通常材料的断裂可看作是材料中裂纹扩展的过程，当纳米蒙脱土材料加入后，复合材料受到拉伸而断裂时，其中的蒙脱土纳米粒子受到外力作用会产生应力集中现象，从而导致银纹的产生，但蒙脱土纳米粒子的存在能终止银纹。当裂纹在扩展时遇到蒙脱土纳米粒子，裂纹会发生偏移现象从而可以吸收能量，达到增韧环氧树脂的作用。

图4 不同重量分数蒙脱土/环氧树脂复合材料的扫描电镜照片

(5)耐介质性能分析

将纯环氧树脂和蒙脱土含量2%、4%、6%、8%的环氧树脂/蒙脱土复合体系试样，分别置于pH=4的酸与pH=9的碱中浸泡10天，取出后采用微机电子万能试验机进行拉伸强度测试。图5和图6分别为纯环氧树脂和蒙脱土含量分别为2%、4%、6%、8%的环氧树脂/蒙脱土复合体系浸泡酸和碱后的拉伸强度，每个数据均取5个平行样条数据的平均值。

从图5、图6中数据可以看出，浸泡酸和碱之后的环氧树脂/蒙脱土复合体系相比图1中未经过化学物质浸泡的拉伸强度均有所降低，说明酸和碱对环氧树脂的力学性能有一定影响。由图中数据还可看出，加入有机蒙脱土后，酸和碱浸泡后的拉伸强度均在蒙脱土含量为2%时达到最大值，然后随蒙脱土含量的进一步增加而降低。

图5 不同重量分数蒙脱土/环氧树脂复合材料浸泡酸后的拉伸强度

图6 不同重量分数蒙脱土/环氧树脂复合材料浸泡碱后的拉伸强度

图5显示酸浸泡后复合材料拉伸强度最大值为38.7MPa，耐酸性能比纯环氧树脂提高了10.9%。图6显示碱浸泡后复合材料拉伸强度最大值为39.2MPa，耐碱性能比纯环氧树脂提高了7.8%。这说明加入少量的蒙脱土时环氧树脂/蒙脱土复合体系比纯环氧树脂耐介质（酸和碱）性能好，这可能是因为在复合体系中，有机蒙脱土的平行排列结构具有良好的阻隔性，使得耐介质性能有明显的提高。但当蒙脱土含量大于6%时，酸和碱浸泡后的拉伸强度明显降低，这可能是由于当有机蒙脱土用量大时，表面积大的有机蒙脱土容易发生聚集，在环氧树脂中分散程度较差，在试样制备过程中引入了大量气泡，给复合材料带来了化学缺陷，导致拉伸强度下降。

3.结论

（1）环氧树脂/蒙脱土复合材料的拉伸强度和剪切强度呈现先增大后减小的趋势。当加入少量的蒙脱土，即蒙脱土重量分数为4%时，复合材料的拉伸强度和剪切强度均达到最大值，分别比纯环氧树脂提高了15.0%和32.8%。

（2）少量蒙脱土的加入可提高环氧树脂的热变形温度。

（3）扫描电镜显示纯环氧树脂的拉伸断口形貌表面较为光滑，与蒙脱土掺杂复合体系相比偏脆性。而环氧树脂/蒙脱土复合材料的拉伸断口形貌较为粗糙且凹凸不平，呈韧性断裂。蒙脱土的加入能起到增韧环氧树脂的作用。

（4）少量有机蒙脱土纳米粒子的加入使得复合材料在酸和碱溶液中的耐介质性能有明显的提高。