D0I:10.13374/i.issm1001-一053x.2005.02.053 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 液体丁氰橡胶及纳米SO2对环氧树脂的增韧机理 肖久梅 陈章华龚春秀马文江许凤光 北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要采用液体丁氰橡胶及纳米SO2对环氧树脂进行改性，借助于扫描电镜(SEM0和力学 性能测试手段研究了液体丁氰橡胶及纳米SO:在环氧树脂体系中的形貌及增韧机理，结果 表明，液体丁氰橡胶及纳米SO,对环氧树脂都具备良好的增韧效果. 关键词环氧树脂：纳米复合材料：增韧：力学性能 分类号TM216.3;TQ323.5 环氧树脂固化时充分交联，呈三维网状立体 硅烷偶联剂KH-550):中科院化学所提供.二氧 结构，分子链间活动能力小，因此质脆、不坚韧、 化硅：中国科学院化学治金研究所提供， 受冲击作用时易发生应力开裂，这也是一直限制 (2)环氧树脂复合材料的制备.改性材料与环 其应用的主要原因.目前，环氧树脂增韧改性的 氧树脂混合，经机械搅拌、超声振动后常温固化 方法主要有弹性体增韧环氧树脂、热塑性塑料增 成型. 韧环氧树脂、与环氧树脂制备互穿网络聚合物增 (3)冲击性能.采用B-5冲击实验机进行冲 韧环氧树脂、热致性液晶增韧环氧树脂以及纳米 击性能实验 无机填料增韧环氧树脂等四.有关环氧树脂的增 (4)微观性能分析.将冲击断口喷碳后，采用 韧机理主要有裂纹桥连机理、裂纹钉铆机理、裂 扫描电镜观察冲击断口表面形貌. 纹路径偏转机理、微裂纹增韧机理、桥联约束一 裂纹钉锚作用机理等网，但没有一种机理可以解 2结果与讨论 释所有增韧剂的增韧机理. 弹性体增韧环氧树脂研究较早也较成熟， 2.1液体丁氰橡胶对环氧树脂的增韧改性 但不足在于弹性体有效增韧环氧树脂的同时往 引入柔性弹性相是对环氧树脂进行增韧的 往丧失材料的强度.近年来，无机纳米材料在增 有效手段，液体无规羧基丁氰橡胶分子链中所含 强增韧方面得到证实，只是增韧幅度不如弹性体 有的氰基和羧基与环氧树脂具有一定的反应性 增韧效果明显.本文以液体丁氰橡胶与无机纳米 当先加入液体丁氰橡胶时，液体丁氰橡胶与环氧 微粒相结合增韧环氧树脂，希望通过弹性体在纳 树脂反应，环氧树脂分子中引入柔性链段，同时 米粒子与环氧树脂之间可能形成的柔性弹性体 固化物交联密度下降，分子运动束缚减少，基体 界面改善体系的力学行为，研究液体丁氰橡胶和 容易发生塑性变形.如图1为未经液体丁氰橡胶 无机纳米粒子在环氧树脂中的行为. 增韧改性过的环氧树脂断面照片，断裂面平滑， 台阶形断面之间的裂纹扩展路线近似直线，分叉 1实验部分 少，呈现明显的脆性断裂特性.图2为液体无规 (1)主要原料.工业用液体无规羧基丁氰橡 丁氰橡胶增韧改性环氧树脂的断裂面，光滑的台 胶：北京化工研究院提供.二乙烯三胺：化学纯. 阶形断面被众多树枝型微裂纹所替代.这是因为 材料受到冲击后，裂纹尖端遇到柔性的橡胶分 收稿日期：200402-08修回日期：2004-06-10 基金项目：北京科技大学科研基金资助项目N020020611590) 子，应力场强度被衰减；并且橡胶分子引发基质 作者简介：肖久梅(1971一)，女，助理研究员，博士研究生 产生塑性变形，较粗的主裂纹演变为较细的次级第 27 卷 第 2 期 2 0 05 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s iyt 0 f S e ci n c e a n d eT e h n o l 0 g y B e ij i n g V b l.2 7 No. 2 A P r. 2 0 0 5 液体丁氰橡胶及纳米 15 0 2 对环氧树脂的增韧机理 肖久梅 陈章 华 龚春 秀 马 文 江 许凤 光 北京 科技 大学 应用 科学 学 院 , 北 京 10 0 0 83 摘 要 采用 液体 丁氰 橡胶 及 纳米 51 0 2 对环 氧树 脂进 行 改性 , 借助 于扫 描 电镜 (s E M )和 力 学 性 能测试 手 段研 究 了液体 丁氰 橡胶 及纳 米 51 0 2 在环 氧树 脂体 系 中的 形貌 及增 韧机理 . 结果 表 明 , 液 体丁 氰橡胶 及 纳米 51 0 2 对环 氧树 脂 都具 备 良好 的增韧 效果 . 关键 词 环 氧树 脂 ; 纳米 复合材 料 ; 增韧 ; 力 学性 能 分 类号 T M 2 16 . 3 : T Q 3 2 3 5 环氧 树脂 固化 时充 分交 联 , 呈 三 维 网 状 立体 结构 , 分 子链 间活 动 能力 小 , 因 此质 脆 、 不 坚韧 、 受冲 击作 用 时 易发生 应 力开 裂 , 这 也是 一直 限制 其应 用 的 主要 原 因 . 目前 , 环 氧 树脂 增 韧 改性 的 方法 主要 有 弹性 体增 韧环 氧树 脂 、 热 塑 性塑料 增 韧环 氧树 脂 、 与 环氧 树脂 制 备互 穿 网络聚 合物 增 韧环 氧树 脂 、 热 致性 液 晶增 韧环 氧树 脂 以及 纳米 无机 填料 增韧 环氧 树 脂 等 `, , . 有 关环 氧 树 脂 的增 韧机 理主 要 有 裂纹 桥 连机 理 、 裂 纹钉 铆机 理 、 裂 纹路 径 偏转 机 理 、 微 裂 纹增 韧 机 理 、 桥 联 约束 一 裂纹 钉 锚作 用 机 理等 〔2] , 但 没 有 一种 机 理 可 以解 释 所 有 增韧 剂 的增 韧 机理 . 弹性 体增 韧 环氧 树 脂研 究较 早 也较 成 熟 『3] , 但 不足 在 于 弹 性 体有 效 增 韧 环 氧 树 脂 的 同 时往 往丧 失材 料 的强度 . 近 年 来 , 无 机纳 米材料 在 增 强增韧 方 面得 到证 实 , 只 是增 韧 幅度 不如 弹性 体 增 韧 效果 明显 . 本 文 以液 体丁氰 橡胶 与无 机纳 米 微 粒 相结 合增 韧环 氧 树脂 , 希 望通 过 弹性 体在 纳 米 粒 子 与 环 氧树 脂 之 间可 能 形成 的柔 性 弹 性 体 界 面 改善 体系 的力 学行 为 , 研 究液体丁 氰橡 胶和 无机 纳米 粒 子在 环 氧 树脂 中 的行 为 . 硅烷 偶 联 剂 (习1 一 5 50 ) : 中科 院化 学 所 提供 . 二氧 化硅 : 中国科 学 院 化学 冶金研 究所 提 供 . ( 2 )环氧 树 脂复 合材 料 的制 备 . 改 性材 料 与环 氧树 脂 混 合 , 经 机 械 搅拌 、 超 声 振动 后 常 温 固化 成 型 . (3 ) 冲击 性 能 . 采 用 BJ 一 5 冲击 实 验 机进 行 冲 击性 能实验 , ( 4 )微 观 性 能 分析 . 将冲 击 断 口 喷碳 后 , 采 用 扫 描 电镜 观 察 冲 击 断 口 表 面 形貌 . 2 结 果 与 讨论 1 实 验 部分 ( 1) 主要 原 料 . 工业 用 液 体无 规 梭基 丁 氰橡 胶 : 北 京化 工 研 究 院提 供 . 二 乙 烯 三胺 : 化 学 纯 . 收 稿 日期 : 2 0 0 4一2 一 0 8 修 回 日 期 : 2 0 04一6 一 10 基 金项 目 : 北 京科 技大 学科研 基 金资助 项 目困.0 20 0 2 0 61 15 9 0) 作 者简介 : 肖久梅 ( 19 71 一 , 女 , 助 理研 究员 , 博 士研究 生 2 . 1 液 体 丁 氰 橡 胶 对环 氧 树 脂 的增 韧 改性 引入 柔 性 弹性 相 是对 环 氧 树 脂 进 行 增 韧 的 有 效 手段 . 液 体无 规梭 基 丁 氰橡 胶 分 子链 中所 含 有 的氰基 和 梭 基 与环 氧 树脂 具 有 一 定 的反 应 性 . 当先加 入 液 体丁 氰橡 胶 时 , 液 体丁 氰橡 胶与环 氧 树 脂 反应 , 环 氧树 脂分 子 中 引入 柔 性 链段 , 同时 固化物 交 联 密度 下 降 , 分 子运 动 束 缚减 少 , 基 体 容 易 发生 塑 性变形 . 如 图 1 为 未经液体 丁氰 橡胶 增 韧 改性 过 的环氧 树 脂 断面 照 片 , 断 裂 面平 滑 , 台阶形 断 面之 间 的裂 纹扩 展 路线 近似 直 线 , 分 叉 少 , 呈 现 明显 的脆 性 断 裂特 性 . 图 2 为液 体 无 规 丁 氰橡胶增 韧 改性 环 氧树 脂 的 断裂 面 , 光滑 的台 阶 形 断面被 众 多树 枝型 微裂 纹所 替 代 . 这 是 因为 材 料 受 到冲 击后 , 裂 纹 尖 端 遇 到 柔 性 的 橡胶 分 子 , 应 力场 强 度 被衰 减 ; 并 且橡胶 分 子 引发基质 产 生塑 性变 形 , 较 粗 的主 裂 纹演 变 为较 细 的次 级 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 053