摘要:將一種環(huán)氧樹(shù)脂和表面羥基化的多壁碳納米管(MWCNTs)按照質(zhì)量比100∶0.1進(jìn)行配比,以超聲波分散法制備MWCNTs/環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑,考察了兩種硅烷偶聯(lián)劑KH550和KH560對(duì)MWCNTs改性效果的影響。采用FTIR、DSC、DMA、流變儀研究了MWCNTs對(duì)膠黏劑固化行為和流變特性的影響,并結(jié)合斷口形貌觀(guān)察,測(cè)試分析了MWCNTs對(duì)膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:硅烷偶聯(lián)劑能與MWCNTs表面的羥基發(fā)生縮合反應(yīng),增強(qiáng)了MWCNTs與環(huán)氧樹(shù)脂基體的親和性,從而影響膠黏劑固化反應(yīng)及黏度-剪切速率曲線(xiàn);經(jīng)KH550改性的MWCNTs明顯提高了膠黏劑與金屬的界面粘結(jié)性,Al-Al拉伸剪切強(qiáng)度較無(wú)MWCNTs的膠黏劑提高了46.4%;添加MWCNTs使膠黏劑的沖擊斷面更為粗糙,開(kāi)裂面積更大;添加MWCNTs+KH550的膠黏劑沖擊強(qiáng)度提高了44.1%,說(shuō)明MWCNTs/環(huán)氧樹(shù)脂間界面性能對(duì)發(fā)揮MWCNTs的增韌效果非常重要。

    關(guān)鍵詞:多壁碳納米管;環(huán)氧樹(shù)脂;膠黏劑;界面;力學(xué)性能

??? 環(huán)氧樹(shù)脂(EP)膠黏劑具有優(yōu)異的綜合性能,在航空航天、交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是大型殼體粘結(jié)時(shí)常使用高性能的環(huán)氧膠黏劑,這對(duì)膠黏劑的浸潤(rùn)性、觸變性、固化特性、粘結(jié)性能、韌性等方面均提出了很高的要求。

??? 利用無(wú)機(jī)納米顆粒改性EP膠黏劑,可以同時(shí)起到增韌、增強(qiáng)、改善流變性的作用,常用的無(wú)機(jī)納米顆粒包括SiO2[1]、TiO2[2]、碳酸鈣[3]等。近年來(lái),碳納米管(CNTs)增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料成為納米增強(qiáng)材料的研究熱點(diǎn),少量的碳納米管就能有效地改善EP基體的力學(xué)性能[4-5]。目前也有研究者開(kāi)始采用CNTs改性EP膠黏劑,如YuSZ等人[6]研究發(fā)現(xiàn)將EP與MWCNTs按照質(zhì)量比100∶1的比例混合后,可明顯提高EP膠黏劑的剝離性能,為膠黏劑的納米增強(qiáng)改性提供了新途徑。 ???

本文作者采用表面羥基化的多壁碳納米管(MWCNTs)對(duì)EP膠黏劑進(jìn)行增強(qiáng)改性。通過(guò)超聲波分散和機(jī)械混合的方法制備出MWCNTs/EP膠黏劑,測(cè)試分析了MWCNTs對(duì)膠黏劑流變特性、耐熱性以及力學(xué)性能的影響,探討了硅烷偶聯(lián)劑對(duì)MWCNTs/EP界面性能和膠黏劑性能的影響,研究結(jié)果為高性能EP膠黏劑的研制提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 ???

1實(shí)驗(yàn)部分 ???

1.1原材料 ???

雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂,上海樹(shù)脂廠(chǎng);改性多元胺固化劑,自制;硅烷偶聯(lián)劑KH550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷),硅烷偶聯(lián)劑KH560(γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)南京辰工有機(jī)硅材料有限公司;表面羥基化MWCNTs,拜爾材料科技有限公司,直徑3~30nm,長(zhǎng)度1~10μm,如圖1所示,羥基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.97%;氣相SiO2,聊城市運(yùn)昌白炭黑有限公司。

? ??? 1.2MWCNTs的分散與試樣制備 ???

1.2.1MWCNTs的超聲波分散 ??? 將EP、MWCNTs以及偶聯(lián)劑按照質(zhì)量比100∶0.1∶2的比例在燒杯中混合,并放置于超聲波振蕩器中,采用40kHz、1000W的超聲波處理6h,處理后的樣品用于膠黏劑樹(shù)脂體系的配制。 ???

1.2.2膠黏劑樹(shù)脂體系的配制 ???

在高速攪拌下,將超聲處理后的MWCNTs/EP與氣相SiO2按照一定比例混合,攪拌20min,使SiO2均勻分散。 ???

1.2.3測(cè)試試樣的制備 ???

將混合均勻的MWCNTs/EP膠黏劑體系與自制的改性多元胺固化劑按質(zhì)量比100∶35進(jìn)行混合,用于拉伸剪切試樣和沖擊試樣的制備。試樣在70℃下固化6h,然后按具體測(cè)試要求加工試樣。 ???

1.3測(cè)試方法 ???

1.3.1紅外光譜表征 ??? 采用傅里葉紅外光譜儀(FTIR,Nicolet公司,NEXUS-470型)對(duì)偶聯(lián)劑修飾前后的碳納米管進(jìn)行紅外光譜表征,采用KBr壓片制樣,掃描波數(shù)范圍500~4000cm-1。首先測(cè)試MWCNTs的FTIR,然后將偶聯(lián)劑與MWCNTs混合并進(jìn)行超聲波分散處理,再對(duì)MWCNTs進(jìn)行清洗,測(cè)試其紅外光譜。 ???

1.3.2膠黏劑樹(shù)脂體系流變特性測(cè)試 ???

采用BohlinGemini200高級(jí)流變儀平行板法測(cè)試樹(shù)脂體系的流變特性。黏度-剪切速率曲線(xiàn)測(cè)試采用控制剪切速率模式,剪切速率變化范圍0~200s-1,線(xiàn)性模式上升。 ??? 1.3.3固化特性測(cè)試 ???

膠黏劑固化放熱采用DSC法(MettlerToledo公司,DSC1型)進(jìn)行測(cè)試,升溫速率10℃/min。 ??? 膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度采用DMA法(美國(guó)TA公司,DMTAmarkⅣ型)進(jìn)行測(cè)試,三點(diǎn)彎曲測(cè)試模式,升溫速率為5℃/min。 ???

1.3.4力學(xué)性能測(cè)試 ???

拉伸剪切強(qiáng)度采用新三思電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T7124—2008,選用鋁片作為被粘接材料,膠層厚度控制在0.5mm。 ??? 沖擊強(qiáng)度采用電子式簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)(JC-5D型,承德市精密試驗(yàn)機(jī)有限公司)測(cè)試,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T2567—2008。沖擊后試樣斷裂面采用掃描電子顯微鏡(SEM,Apollo-300)進(jìn)行觀(guān)察。 ???

2結(jié)果與討論 ???

2.1MWCNTs對(duì)膠黏劑固化行為的影響 ??? 首先采用DSC法研究了MWCNTs對(duì)膠黏劑固化放熱行為的影響,測(cè)試對(duì)象包括不含MWCNTs膠黏劑、含MWCNTs膠黏劑以及分別添加了KH550、KH560的含MWCNTs膠黏劑。升溫DSC掃描結(jié)果如表1所示。

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??? 從表1數(shù)據(jù)可以看出,只添加MWCNTs的膠黏劑在固化過(guò)程中的特征放熱溫度、放熱量與不含MWCNTs的情況沒(méi)有明顯差別,說(shuō)明MWCNTs的加入對(duì)樹(shù)脂的固化反應(yīng)機(jī)制和反應(yīng)歷程沒(méi)有顯著的影響;而同時(shí)添加MWCNTs和偶聯(lián)劑后,特征放熱溫度有一定變化,放熱量也有明顯的下降。這可能是由于羥基化改性的MWCNTs表面的—OH在超聲波分散過(guò)程中與硅烷偶聯(lián)劑上的Si—O鍵發(fā)生了縮合反應(yīng)(如圖2所示)[7],使MWCNTs的表面接枝含活性基團(tuán)(胺基和環(huán)氧基)的有機(jī)分子鏈,這樣樹(shù)脂與固化劑混合后接枝在MWCNTs上的—NH2或環(huán)氧基參與了固化反應(yīng),隨著反應(yīng)程度的提高,大分子鏈將受到MWCNTs的限制,從而對(duì)固化反應(yīng)產(chǎn)生影響[8]。

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??? 為了驗(yàn)證偶聯(lián)劑是否與MWCNTs發(fā)生反應(yīng),采用紅外光譜對(duì)偶聯(lián)劑處理前后的MWCNTs進(jìn)行分析,如圖3所示?？梢钥闯?羥基化改性的MWCNTs在3480cm-1附近有較強(qiáng)烈的吸收,說(shuō)明在MWCNTs表面含有大量的—OH。經(jīng)偶聯(lián)劑KH550和KH560處理后,3480cm-1處的—OH吸收峰均明顯減弱,同時(shí)在1082cm-1附近均產(chǎn)生了較強(qiáng)的吸收,說(shuō)明MWCNTs上的—OH與硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)生成C—O—Si鍵,這證明MWCNTs與偶聯(lián)劑超聲波分散過(guò)程中發(fā)生了圖2所示的化學(xué)反應(yīng)。