納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的研究進(jìn)展

王也 司薇薇

摘 要：無(wú)機(jī)納米粒子與聚合物制成的復(fù)合材料比純聚合物材料更具優(yōu)良的綜合性能。納米Al2O3表面化學(xué)性質(zhì)較活潑，常用于改性環(huán)氧樹(shù)脂。本文就近年來(lái)納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備方法、測(cè)試與表征方法和應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并展望納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料未來(lái)研究的方向。

關(guān)鍵詞：納米Al2O3；環(huán)氧樹(shù)脂；制備方法；測(cè)試與表征方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ327.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）20-0142-02

Research Progress of Nano-Al2O3/Epoxy Resin Composites

WANG Ye SI Weiwei

（Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001）

Abstract： The composite materials made of inorganic nanoparticles and polymers have better comprehensive properties than pure polymers. Due to its active surface， Nano-Al2O3 is often used to modify epoxy resin. In this paper， the preparation methods， property testing methods and applications of nano-Al2O3/epoxy resin composites were reviewed， and the direction of the development was prospected.

Keywords： Nano-Al2O3；epoxy resin；preparation method；testing method

環(huán)氧樹(shù)脂是一種典型的熱固性樹(shù)脂，其粘附力強(qiáng)，力學(xué)性能良好，穩(wěn)定性好，電性能優(yōu)良，易成型加工，成本低廉。因此，我國(guó)較為重視環(huán)氧樹(shù)脂的生產(chǎn)和研究，以滿足機(jī)械、電子、電器、涂料等領(lǐng)域的需求。然而，隨著人類(lèi)需求的不斷提高，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的要求也隨之提升，要求提高環(huán)氧樹(shù)脂優(yōu)良特性的同時(shí)，改善其質(zhì)脆、耐熱性和抗沖擊強(qiáng)度差等缺點(diǎn)。研究表明，在環(huán)氧樹(shù)脂中添加無(wú)機(jī)粒子特別是納米粒子，不但能表現(xiàn)出增強(qiáng)與增韌的同步效應(yīng)，還能提高環(huán)氧樹(shù)脂的其他性能。本文主要介紹近年來(lái)納米Al2O3改性環(huán)氧樹(shù)脂的研究，從納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備、測(cè)試與表征方法及應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行綜述，并對(duì)該復(fù)合材料的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 制備方法

納米Al2O3主要有α、γ等晶型，其中γ-Al2O3比表面積較大，表面活性較高，耐熱性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的表面酸性和一定的表面堿性，因此部分研究者選用納米γ-Al2O3作為增強(qiáng)體[1]。但由于α-Al2O3更為穩(wěn)定，制得的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能和機(jī)電性能更好，因此更多研究者選擇α-Al2O3作為增強(qiáng)體。改性環(huán)氧樹(shù)脂所用納米Al2O3的尺寸一般為20～80nm，也有研究者使用10nm左右的納米Al2O3粒子[2]，或者片狀納米Al2O3[3]。

納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備方法一般為：先將納米Al2O3與環(huán)氧樹(shù)脂混合均勻，之后加入固化劑，混合均勻，脫泡，最后將混合物倒入準(zhǔn)備好的模具中，待其固化后即可得到所需的復(fù)合材料。但是，由于納米Al2O3粒度小，表面能高，處于熱力學(xué)非穩(wěn)定狀態(tài)，容易聚集成團(tuán)，從而影響其在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散性，影響納米Al2O3的應(yīng)用效果。研究者嘗試了各種分散方法，如機(jī)械攪拌、超聲波分散、添加分散劑或用開(kāi)煉機(jī)分散等。

在相關(guān)研究中，用偶聯(lián)劑改性納米Al2O3是近期研究的熱點(diǎn)。在納米Al2O3改性中多用硅烷偶聯(lián)劑，其品種主要有KH550、KH560和KH570等。除了這3種硅烷偶聯(lián)劑外，還有研究者用其他試劑對(duì)納米Al2O3進(jìn)行改性。例如，周宏等[3]選用KH540成功改性了納米Al2O3，李文芳等[4]選用二苯基甲烷二異腈酸酯和4，4′-二氨基二苯醚。

2 測(cè)試與表征方法

2.1 改性納米Al2O3的測(cè)試方法

經(jīng)偶聯(lián)劑改性的納米Al2O3常常需要進(jìn)行表征，以檢驗(yàn)其是否改性成功。最常用的方法是紅外光譜分析。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。通常，研究者會(huì)將偶聯(lián)劑改性前后的納米Al2O3紅外光譜圖進(jìn)行比較，如果改性后的納米Al2O3紅外光譜圖上出現(xiàn)了偶聯(lián)劑的特征峰，或者納米Al2O3的本征特征峰增強(qiáng)，說(shuō)明納米Al2O3改性成功。

2.2 納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能測(cè)試方法

納米Al2O3與環(huán)氧樹(shù)脂制備成復(fù)合材料后，需檢測(cè)其性能，以指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)。人們對(duì)這種復(fù)合材料的性質(zhì)研究得最多的是納米Al2O3在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散性及復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和絕緣性。

透射電子顯微鏡的放大倍數(shù)為幾萬(wàn)至百萬(wàn)倍。因此，人們常用透射電子顯微鏡來(lái)觀察納米Al2O3在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散狀態(tài)。研究表明，未做任何處理的納米Al2O3在基體樹(shù)脂中分散不均勻，有大量團(tuán)聚體出現(xiàn)；而添加分散劑或用偶聯(lián)劑改性的納米Al2O3在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散情況與前者相比得到明顯改善，說(shuō)明分散劑或偶聯(lián)劑改變了粒子的表面狀態(tài)，阻止了納米粒子的團(tuán)聚，使納米粒子在環(huán)氧樹(shù)脂中得到相對(duì)均勻的分散。

掃描電子顯微鏡有較高的放大倍數(shù)，20～20萬(wàn)倍連續(xù)可調(diào)，因其景深大、視野大、成像富有立體感，能直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，所以，可用來(lái)觀察納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料斷面，從而判斷納米Al2O3在環(huán)氧樹(shù)脂基體中的分散情況，同時(shí)檢測(cè)該材料的韌性。純環(huán)氧樹(shù)脂的斷面簡(jiǎn)單，上面有片狀缺陷紋，其他區(qū)域較光滑、平整、呈現(xiàn)脆性斷裂特征。而納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料斷面的粗糙程度隨納米Al2O3加入量的增大不斷加強(qiáng)，并且在裂紋擴(kuò)展方向上存在越來(lái)越多的納米Al2O3顆粒和孔洞，這是韌性斷裂面的形貌特征，能吸收更多的沖擊能量，代表材料的韌性更好。

納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能，包括硬度、耐磨性、拉伸性能、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊性能、彎曲性能和剪切強(qiáng)度等，均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)合材料硬度隨納米Al2O3添加量的增加而上升。除此之外，其他力學(xué)性能均隨著納米Al2O3添加量的增加先上升后下降，有的甚至低于純環(huán)氧樹(shù)脂。

熱重分析、差示掃描量熱分析均能測(cè)試材料的熱穩(wěn)定性。熱重分析能得到復(fù)合材料的分解溫度。通過(guò)比較不同材料的分解溫度，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料比純環(huán)氧樹(shù)脂的分解溫度高，說(shuō)明復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性好。差示掃描量熱分析能測(cè)試材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和環(huán)氧樹(shù)脂固化峰最大值。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米Al2O3改性的復(fù)合材料，納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，達(dá)到Tg峰值時(shí)固化劑用量越少；對(duì)于不同納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，復(fù)合材料的Tg逐漸升高。

材料的絕緣性可用介電常數(shù)、介電損耗和介電強(qiáng)度來(lái)表征。實(shí)驗(yàn)表明，納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電強(qiáng)度均優(yōu)于純環(huán)氧樹(shù)脂；介電常數(shù)隨納米Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明復(fù)合材料的絕緣性能優(yōu)于純環(huán)氧樹(shù)脂。

3 應(yīng)用

納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料比純環(huán)氧樹(shù)脂更具耐熱性、電絕緣性、耐磨性和耐刮擦性，納米Al2O3還是一種防污助劑，因此這種復(fù)合材料可用作多種體系的涂料配方。又因其具有良好的電絕緣性、耐熱性、耐沖擊性和剪切強(qiáng)度，這種復(fù)合材料還能在土木建筑、電子電器、航空航天、汽車(chē)機(jī)械和體育用品等領(lǐng)域作為膠黏劑使用。因其絕緣性高，力學(xué)性能好，可在高低壓電器、電機(jī)和電子元器件絕緣和封裝上應(yīng)用。另外，良好的力學(xué)性能還使該復(fù)合材料能應(yīng)用于工程塑料和土建材料等領(lǐng)域。

4 展望

近年來(lái)，經(jīng)過(guò)廣大科研人員的不懈努力，納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得眾多成果，其逐漸被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。由于其具有較多優(yōu)勢(shì)，因此，該復(fù)合材料在未來(lái)的應(yīng)用前景廣闊。但目前，在該復(fù)合材料的研究方面仍存在較多問(wèn)題。在今后的研究中，一方面可用現(xiàn)有的研究成果和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)復(fù)合材料的生產(chǎn)，在生產(chǎn)和應(yīng)用中研究提高性能的方法；另一方面，系統(tǒng)研究該復(fù)合材料制備的各步驟，如納米Al2O3的分散方法、分散劑和偶聯(lián)劑的選擇、各工藝步驟的順序和參數(shù)對(duì)復(fù)合材料的影響，并深入研究納米Al2O3增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的機(jī)理。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉佳，薛妍，李金樹(shù).環(huán)氧樹(shù)脂/納米Al2O3聚合物的分散工藝研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2007（s1）：383-386.

[2]劉剛，張代軍，張輝，等.納米粒子改性環(huán)氧樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的研究[J].熱固性樹(shù)脂，2009（2）：6-9.

[3]周宏，張玉霞，范勇，等.片狀納米Al2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2014（5）：1142-1147.

[4]李文芳，商睿凝，李繼雙，等.改性納米氧化鋁增韌環(huán)氧樹(shù)脂的研究[J].膠體與聚合物，2016（3）：114-117.