环氧树脂在纳米技术中的应用

2020-02-21李晓丹刘小平胡心雨刘小清申渝唐莹冯佳成

应用化工 2020年8期

李晓丹，刘小平，胡心雨，刘小清，申渝，唐莹，冯佳成

(重庆工商大学催化与环境新材料重庆市重点实验室智能制造服务国际科技合作基地，重庆 400067)

在聚合物体系中，纳米结构材料优异的性能取决于纳米颗粒在整个基质中的分散方式。一般来说，与含有微填料的传统聚合物基复合材料相比，聚合物基纳米复合材料的性能会发生显著的变化，这是聚合物-颗粒界面相互作用改善的结果[1-2]。纳米颗粒的形状、大小和数量对聚合物基纳米复合材料的性能也有各自独立或协同的影响[3-4]。因此，选择适当的纳米颗粒至关重要[5]。在过去的10年中，越来越多含纳米填料的环氧树脂进入了应用领域。例如，在车身外部面板、飞机和海洋环境的高性能胶粘剂等方面使用[6-8]。一些纳米颗粒，例如碳纳米管、石墨烯、炭黑、气相法二氧化硅、钛酸钡和钛酸铜钙已被引入环氧树脂中以寻求高的导电性[9-10]，并作为电子包装材料。纳米粘土改性的环氧体系已广泛应用于模具、层合板、成型、铸造以及建筑中的许多常规施工[11]。另外，借助于碳/玻璃纤维增强的环氧/粘土纳米复合材料在汽车和飞机工业上也显示出了巨大的商业潜力[12]。基于环氧的纳米结构材料在生物医学中也有突出的应用。例如，环氧/纳米金刚石复合材料因其高硬度、低电导率和高导热率以及显著的耐化学性而引起了生物医学的关注[13-14]。同时纳米环氧材料在骨骼修复方面的表现尤其令人印象深刻。

从技术上讲，相当多的环氧纳米复合材料已被商业化为油漆和涂料。一些报道称，除了良好的装饰性外，这些材料还具有优异的机械性能和耐化学腐蚀性[15]，而纳米环氧涂层体系如自修复[16]、微波吸收性[17]和耐热性[18]所带来的其他一些优越性能也得到了关注。

1 纳米粒子对环氧树脂固化及性能的影响

而固化过程中形成的3D网络的玻璃化转变温度(Tg)会极大地影响热固性环氧树脂的最终性能[19-20]。多位研究者均证实了环氧复合材料的微纳米结构[21]、与基材的粘附程度[22-24]、耐腐蚀性[25-26]、粘弹性[27-29]以及流变性能等[30-32]都与环氧树脂的固化程度有关。考虑到纳米粒子在环氧树脂中易团聚，使得纳米粒子的表面处理和功能化在树脂的固化反应中起关键作用[30-33]。总体而言，将纳米颗粒掺入环氧树脂中可能会加速或阻碍热固性复合材料中的交联反应[34]。在这种情况下，应注意了解固化程度、交联结构和环氧纳米复合涂料性能之间的相互关系。

一些研究者对环氧纳米复合涂料进行研究后发现，环氧纳米复合材料的固化动力学受纳米填料及其功能化的影响[35]。热分析和力学分析的结果表明，Fe2O3作为一种常见的金属氧化物填料，通过提高交联度影响环氧树脂的机械性能，使得复合材料的Tg值高于纯环氧树脂[36]。对于不同的环氧/金属氧化物纳米复合材料，固化和优先吸附研究表明，金属氧化物的吸附电势差会导致环氧树脂的固化特性发生明显变化[37]。同样，用胺前驱体功能化的多壁碳纳米管(CNTs)的固化行为和性能加速了环氧涂料的固化反应速率以及Tg，从而提高了机械性能[38]。还有学者对环氧树脂/二氧化硅纳米复合材料进行了研究，以了解纳米颗粒如何影响固化行为和拉伸模量[39-40]。但这些研究只是专注于制备具有高机械性能的环氧纳米复合涂料，以满足行业对涂料的高级应用需求，却没有考虑固化状态和系统的热分析。据报道，在环氧树脂中添加碳纳米颗粒，例如CNTs[41]和石墨烯[42]，可以提高机械性能。但是，纳米颗粒和环氧链之间的界面强度较低会导致纳米颗粒的分散性差，从而影响应用[43]，而纳米颗粒的功能化可改善分散性和界面强度。对于CNTs，共价和非共价功能化都是提高性能的有效方法[44]。作为纳米颗粒的另一个重要类别，粘土对环氧树脂的机械和热性能有极大改善[45]。通过功能化，粘土层将被充分分离并随机定向，与环氧链形成合适的界面键合，从而可以改善纳米复合材料的性能[45]。另外，金属氧化物纳米颗粒为环氧树脂提供了高的耐腐蚀性和机械性能[46]。

2 环氧纳米复合涂料的应用

环氧树脂作为一种传统的热固性树脂，已广泛应用于工业涂料中。纳米颗粒在环氧基体中的存在，将有助于在不同的环境下实现多种特定用途的环氧纳米复合涂料[47]。多功能环氧基纳米复合涂层由于其兼具机械性能和热性能的特殊特性，在航空工业中得到了广泛的应用[48]。现已经进行了一些尝试来克服与飞机结构有关的问题，例如用环氧/石墨烯纳米复合涂层来提高导电性、防雷以及支架的耐腐蚀效果[49]。纳米结构的环氧材料还具有防腐蚀和自修复功能，可通过限制侵蚀性离子的渗透而发挥作用，因此也获得了航空航天和船舶涂料的认可[50]。此外，更复杂的具有环保特性的防污和抗菌环氧纳米复合涂料也被应用于船舶和海洋结构的船体。当阻燃性成为必要条件时，环氧纳米复合涂料仍可有效应用。用锥形量热法和热重法对含高岭土纳米管(HNTs)的环氧体系进行了分析，结果表明阻燃性与纳米填料的形状和浓度有关，而纳米填料的形状和浓度强烈地控制着网络的形成。总而言之，环氧纳米复合涂料的应用前景广大。