液晶聚氨酯/环氧树脂复合材料的制备与性能

2020-11-17芮文娟

化工设计通讯 2020年11期

芮文娟

（滨州学院化工与安全学院，山东滨州 256603）

环氧树脂是聚合物基复合材料中应用最广泛的基体树脂，但环氧树脂存在着固化后交联密度大，韧性差，抗冲击性能差等缺点。因此研究人员对于环氧树脂改性的研究从未间断，而液晶聚合物具有高模量、高强度的特点，采用液晶聚合物改性环氧树脂能全面提高环氧树脂的性能。

本研究拟合成具有低熔点宽液晶区间的液晶聚氨酯，通过溶液共混的方式制备液晶聚氨酯/环氧树脂复合材料。在固化反应过程中，诱导液晶聚氨酯在环氧树脂基体中形成有序结构，起到微纤增强作用，提高环氧树脂性能，扩大其应用领域。

1 实验部分

1.1 实验药品

对羟基苯甲醛，对苯二胺，聚乙二醇（2000），二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI），二氨基二苯砜（DDS）等均购买于上海阿拉丁生物科技有限公司；无水乙醇，丙酮，N，N-二甲基甲酰胺（DMF），盐酸，天力化学试剂有限公司；环氧树脂DGEBA（E-51）由无锡凤凰树脂厂提供。

1.2 表征

采用德国NETZSCH 公司的DSC-204差示扫描量热仪测试热性能；采用LEICA DMRX 型偏光显微镜（带有热台）观察液晶及复合材料织构；采用PE 公司红外图像系统研究液晶聚氨酯微观形貌；采用MTS 公司CMT4204万能测试仪测试复合材料力学性能。

1.3 液晶聚氨酯合成

称取摩尔比为1 ∶2的对苯二胺和香草醛，加入三口瓶中，再加入适量的丙酮将其溶解，然后滴加催化量的盐酸作为催化剂，搅拌条件下回流反应5h。反应结束后冷却析出淡黄色晶体，乙醇重结晶，过滤，干燥即得最终产物。如图1所示。

依据表1所示的投料比，称取不同份数的二聚三乙二醇和上述液晶单体并将其溶解于适量的DMF 中，然后转移至三口瓶中，在搅拌条件下缓慢滴加MDI，滴加完毕后于70℃条件下反应6h。反应结束后采用乙醇沉析，过滤，干燥即可得最终产物。将其按照液晶基元含量的不同命名为LCU0、LCU10、LCU20、LCU30、LCU40、LCU50。

图1 液晶聚氨酯的合成路线

表1 液晶聚氨酯单体投料比

1.4 复合材料制备

称取一定质量的环氧树脂，然后将不同质量分数的LCU30丙酮溶液加入环氧树脂中，再加入固化剂DDS 混合均匀，然后利用旋转蒸发仪脱除溶剂。并在真空干燥箱中脱除气泡，再将其倒入预热好的聚四氟模具中进行固化反应，固化条件160℃×6h，180℃×1h。

2 结果与讨论

2.1 液晶性能分析

将LCU30置于偏光显微镜下，可以观察到当温度升高到125℃时，液晶聚氨酯开始流动，视野开始变亮，进入液晶相，呈现出典型的向列纹影织构。随着温度的进一步升高，织构逐渐模糊，温度升高到198℃之上时，纹影织构消失，进入各向同性相，即清亮点为198℃。在降温过程中，同样可以在液晶区间观察到纹影织构；图2为含有LCU30在升降温过程中的偏光图片。其他不同含量的液晶聚氨酯经偏光显微镜分析，其液晶区间均小于LCU30。

图2 液晶聚氨酯LCU在不同温度下的偏光照片（200）

2.2 共混体系结构分析

经液晶性能分析，选择了液晶性能最为稳定的LCU30与环氧树脂共混制备复合材料。图3表示LCU30/DGEBA/DDS体系在固化过程中液晶聚氨酯在环氧树脂基体中的分布情况。采用红外透射模式测试混合物在不同固化反应阶段某一位置的红外总吸收，不同的颜色表示不同的红外吸收强度，选择1 650cm-1的峰表示液晶聚氨酯在环氧树脂中的分布状态。由图3（a）可见，固化反应开始前，红外吸收一致，表示此时液晶聚氨酯在环氧树脂中均一分散；从图3（b）、（c）可见，随着反应的进行，C—N 吸收峰的强度不一，表明液晶聚氨酯出现自聚。通过红外系统分析可以认为，经过固化反应能够使液晶聚氨酯在环氧树脂基体中形成各向异性的液晶复合材料。

图3 LCPU30在10wt% LCPU20/DGEBA/DDS体系固化过程中分散状态的红外图像系统图片

2.3 力学性能分析

本节探讨了不同质量分数的液晶聚氨酯LCPU30共混改性环氧树脂固化物的力学性能。由图4可以看到，随着液晶聚氨酯LCPU30含量的增加，LCPU30/DGEBA 固化体系的冲击强度和弯曲强度都大幅提高。当加入15wt% LCPU30时，复合材料的冲击强度提高了73%，同时添加10wt% LCPU30时复合材料的弯曲强度也出现了最大值，这就表明液晶聚氨酯在环氧树脂基体中形成的液晶区域能有效地吸收外界能力，起到分散能量的作用，最终改善环氧树脂的韧性。