环氧树脂/黏土纳米复合材料的制备与性能

蒋文明，王海龙，李思雨

（沈阳化工大学，辽宁沈阳 110000）

环氧树脂是现阶段社会主义经济市场上广泛流传的热固性树脂之一，这种材料具备较强的黏接力、良好的电绝缘性、较小的收缩性、较强的稳定性。从实际应用情况来看，环氧树脂在土木工程、航空、电子工程等领域中得到了广泛的应用。纳米复合材料主要是指分散相尺度至少有一维小于100nm 的复合材料，受纳米复合材料自身性能的影响，将其和环氧树脂组合使用能够进一步提升环氧树脂的使用性能。为此，本文就环氧树脂/黏土纳米复合材料的制备和性能强化问题进行探究。

1 环氧树脂/黏土纳米复合材料的制备

1.1 剥离吸附制备方式

黏土中所包含的层状硅酸盐晶片会依靠微弱分子之间的作用力来堆砌成一种十分有序的叠层结构，这种结构在溶剂中会呈现出分散的状态。剥离吸附就是应用这一原理特点将黏土在可溶解的聚合物或者聚合溶剂中分散形成单片硅酸盐晶片，这种晶片在使用的时候往往能够被聚合物吸附。在去除溶剂之后晶片会被重新分布，通过应用重新分布的晶片能够获得质量上乘的纳米复合材料。

在具体加工操作的时候会应用多种类型的硅酸盐晶片来打造出多层结构，这种方法被人们广泛应用在水溶性聚合物、黏土插层类型的纳米复合材料制备，其中具备典型代表的材料包含聚乙烯醇、黏土、聚氧化乙烯等。

1.2 原位插层聚合

原位插层聚合方法主要是将单体或者齐聚物插层到黏性土层上，之后应用引发剂或者其他操作方式来引发聚合反应。借助反应放热来改变之前的黏土层状结构，将微米尺度的黏土颗粒剥离成厚度为0.94mm 的硅酸盐晶片，并将其均匀地涂抹在聚合物基体上，从而实现聚合物和黏土在纳米尺度上的复合。在具体操作的时候，原位插层聚合按照基本反应类型可以划分为插层缩聚、插层加聚两种类型，按照混合方式的不同可以具体划分为直接混合和借助溶剂和插层溶液的混合方法。

1.3 熔融插层处理

在具体操作时，如果聚合物和硅酸盐晶片显示出比较明显的相容性，在这些材料处于一种熔断状态的时候，聚合物会和黏性土共同融合在一起，由此形成一种复合型材料。这种操作方式在不适用溶剂的情况下就能够达到理想的效果，是现阶段制备以PP 为代表的聚合物/黏土纳米复合材料。

1.4 模板合成

在具备聚合物和硅酸盐结构单元的水溶液中能够直接合成硅酸盐晶片，这种类型的晶片还能够用来合成双层OH 的纳米复合材料。但是在具体操作的时候受动力学的影响，最终形成的硅酸盐晶片尺寸大小不符合天然黏性土的使用要求，总体上是后者三分之一的厚度大小。在具体实践操作的时候通过应用聚合物能够促进无机相黏土硅酸盐晶片的合成。

这种操作方法主要用在水溶性聚合物、PVPyr、聚苯胺、HPMC 和PAN 聚合物之后，在具体实施操作之后常用的方案是2wt%的硅溶胶、Mg（OH）2胶和LiF，在将这些材料和理想的水溶性聚合物融合在一起之后加热回流两天。在实验操作的时候层间距和加入聚合物的重量分散会呈现出一种正相关的关系。

在先进技术的发展支持下，人们开始应用原位插层聚合方法综合制备材料，在制备的过程中会采用原位插层聚合制备方式。有学者研究了混合方法和混合时间对环氧树脂插层黏土性质的影响，经过研究发现在直接应用混合方法和溶液混合方法之后，d001 均从2.4mm 增加到3.7mm，与此同时，黏土层之间还能够容纳环氧树脂的饱和数值，在达到这个数值之后会在以往基础上延长溶剂的使用时间，并在实验操作的时候增强环氧树脂在黏土层之间的安全性和稳定性。

2 环氧树脂/黏土纳米复合材料的力学性能

经过环氧树脂/黏土纳米复合材料的力学性能测试分析可以发现，在一定的研究范围内，随着蒙脱土含量的增加，复合材料的拉伸强度会经历从增大到减小的变化，在这个过程中所有材料的冲击强度也会不断增加。在蒙脱土的添加数量达到6g 的时候，整个蒙脱土的拉伸强度会达到最大的状态，即从纯环氧树脂的50.25MPa 提升到71.48MPa，伴随而来的是冲击强度也从之前的22.4kJ/m2提升到34.56kJ/m2，总体数值都会提升到一定的比例。在蒙脱土的含量增加到10g 的时候，蒙脱土的拉伸强度也会降低，冲击强度会提升到55.24kJ/m2。

在具体实践操作的时候如果蒙脱土的基本属性是层状无机硅酸盐黏性土的聚集体，那么它的片状晶体则会显示出较大的强度和刚度，固化之后的蒙脱土在树脂基体中会以层片状的形态分布，总体表面积较大。在受到外力影响的情况下，纳米级别的蒙脱土层会产生较多的银纹，吸收能力和冲击能力和之前相比也有所提升。少量蒙脱土的使用会在较大范围内提升环氧树脂的力学性能，使其显示出和其他微米级别填料不可相比的优势性。

3 环氧树脂/黏土纳米复合材料的热学性能

从实践操作上来看，玻璃化转变温度也是衡量聚合物复合材料热性能的一个重要参数指标，但是目前对聚合物、黏土纳米复合材料的转化研究存在较多的争议。有学者在实验中无法看到聚合物的玻璃化转变，而出现这种现象的原因是处于蒙脱土片层坑道高分子链段运动和自身状态不同变化所引起的，但是关于其是否会超出观测范围，仍然没有更深入的研究报道。

在以往研究基础上人们选择应用DSC 对环氧树脂/黏土纳米复合材料的玻璃化转变进行了深入的研究，经过一系列实验研究证明，在材料提升温度为20℃/min，材料的性能转变不够明显，仅仅能够观察到一个斜向上的直线。在升温速率为40℃/min 就会明显地观察到玻璃的转变。由此可以证明，在环氧树脂/黏土纳米复合材料体系中，蒙脱土片晶或者单层晶会以纳米尺度均匀分布在树脂基体中，自由体积减少，因而受热时所能够开展的链段运动更加困难，热稳定性能会提升。

4 结束语

综上所述，虽然当前人们对环氧树脂/黏土纳米复合材料的研究处于一种起步阶段，但是现有的研究结果已经证明这类材料拥有广阔的应用空间。但是从研究上来看，人们对环氧树脂材料的应用认识还处于比较肤浅的阶段，主要关注的是环氧树脂和黏性复合前后拉伸强度和模量的变化，没有充分考虑到环氧树脂材料的冲击性和柔韧性，这一方面的研究是未来需要改进和完善的。在先进技术的发展支持下，未来关于环氧树脂的研究将会集中在环氧树脂和黏土二元结合、橡胶增韧和热塑性树脂材料工艺改进方面，并借助先进的技术形式对这一材料的加工工艺和结构结构进行深入的研究，不断优化材料的加工操作流程，节省加工成本。