高性能四官能度环氧基石墨烯/碳纳米管多维复合材料的制备及性能研究
四官能度环氧树脂因为高官能度和刚性骨架而成为环氧树脂中热力学和机械力学性能最优异者之一，被广泛应用于高性能的胶粘剂和复合材料基体树脂。但是，这种结构特点导致现有强韧化改性策略很难适用，为其进一步提升性能带来了巨大的困难。碳纳米填料是环氧树脂强韧化的有效手段，近年来多维碳纳米填料的协同增强受到广泛重视，其优异的强韧化和功能化效果要优于单一维度纳米碳填料。然而，碳纳米填料在环氧树脂基体中的分散性差，极大地限制了多维碳/环氧纳米复合材料的潜在性能。多种分散剂与碳纳米填料的π-π分子间非共价作用是改善纳米填料分散性的有效手段，能够在完整保留纳米碳原有性能和功能的情况下实现良好的分散。其中，当上述分散剂通过共价键键合到基体树脂三维网络中，并以悬垂链的形式存在时，具有“内部抗塑化”效应，即在降低树脂体系粘度的基础上实现强度和模量的同时提升。 本论文围绕高性能四官能度环氧树脂强韧化改性问题，引入单官能团环氧稀释剂作为悬垂链，对四官能度环氧树脂基体进行“内部抗塑化”增强。在此基础上，构建多维协同增强纳米碳骨架，通过纳米碳与悬垂链间的π-π分子间非共价作用优化纳米碳在树脂基体中的分散及复合材料的界面问题，进一步增强树脂基体。设计、制备并研究了“内部抗塑化”增强的四官能度环氧树脂及其多维碳纳米复合材料。本论文主要贡献如下： 首先，以四官能度4,4''-二氨基二苯甲烷环氧树脂（Ag80）和固化剂4,4''-二氨基二苯甲烷（DDM）构建高性能环氧树脂主体三维网络，分别选用苯基缩水甘油醚（PGE）和苄基缩水甘油醚（BGE）两种单官能度环氧稀释剂作为悬垂链，制备了具有“内部抗塑化”作用的交联网络PGE/Ag80和BGE/Ag80。探究悬垂链结构和添加量对基体树脂的粘度、固化过程、机械和热机械性能影响。研究结果表明：PGE/Ag80和BGE/Ag80都可以大幅度降低体系粘度和提升强度。因PGE与BGE作为悬垂链,存在结构柔顺性的差异，最终PGE/Ag80体系表现出更明显的“内部抗塑化”作用，其中，30%PGE/Ag80的粘度仅为5000mPa·s，同时，与Ag80/DDM树脂基体相比，固化物的模量（3.17GPa）和强度（113MPa）分别提升了25.8%和28.4%，Tg大于210℃。本研究突破了长期以来四官能度环氧树脂性能提升的策略局限，为复合材料提供了基体树脂。 其次，利用一维碳纳米管（CNTs）和二维石墨烯（GN）构建了多维协同骨架，引入到30%PGE/Ag80体系中。其中，单官能团环氧树脂PGE通过与GN和CNTs的π-π分子间非共价相互作用建立了树脂基体与纳米碳间的相互作用桥梁，并实现多维纳米碳在高性能基体中的稳定分散。最终得到的四官能度环氧纳米复合材料（30%PGE-CG5/Ag80）具有优异的Tg（211℃）、拉伸强度（123MPa）和杨氏模量（3.49GPa），以及光/热变色能力、低CTE、高阻燃性和绝缘性等多功能性，可应用于阻燃、防伪、电子封装和高温高性能结构材料领域。本研究提出的简便策略为高性能环氧树脂增强改性及其多维碳纳米复合材料的制备和应用开拓新思路、提供数据基础。
四官能度环氧树脂纳米复合材料;多维协同碳材料;内部抗塑化;π-π相互作用
北京化工大学
硕士
化学
张军营
2022
中文
TB383;TB332
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）