CN101798443B - 纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents

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本发明涉及一种纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法，属于纳米无机稀土氧化物与有机树脂复合材料制备工艺技术领域。本发明方法的要点是：将纳米二氧化铈与有机溶剂相混合，便其分散均匀，二氧化铈与有机溶剂的用量的重量体积比为：1∶5～1∶30(g/ml)。；接着将一定量的环氧树脂在真空下80～120℃加热4～8小时作前处理，然后将纳米二氧化铈加入其中，并进行超声处理；将上述混合物在真空烘箱中在50～120℃下处理10～24h；然后在上述混合物中加入一定量的固化剂，在室温下固化24小时，或者在80～160℃分段升温加热固化，最终得到纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料。本发明方法中，纳米二氧化铈在复合材料中的含量为0.5～5wt％，其分散均匀，所得复合材料的力学性能较优。

Description

纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法，属于纳米无机稀土氧化物与有机树脂复合材料制备工艺技术领域。
背景技术
环氧树脂是一种综合性能优异的热固性树脂，因其稳定性强、粘结性好、收缩性小和电绝缘性好等优良特性而广泛应用于胶粘剂、涂料、电气绝缘材料、结构材料等领域，但是环氧树脂的固化物脆性大、冲击强度低、易开裂、不耐疲劳等缺点而限制了其进一步的应用。
纳米环氧树脂复合材料可以由纳米单元与环氧树脂以各种方式复合成型的一种新型复合材料。具有很强的表面效应、体积效应和协同效应的纳米微粒同环氧树脂复合后，不仅能发挥环氧树脂本身的特点，还可以明显改善其拉伸强度、拉伸模量、冲击强度等性能。如李朝阳等(材料保护，2008年4月，第41卷第4期)通过高剪切分散和催化剂的催化相结合的方法，使纳米SiO2粒子与环氧树脂发生化学键接，制得纳米SiO2改性环氧树脂。结果表明，纳米SiO2的化学改性在环氧树脂中引入了Si-O-C键，较大地提高了环氧树脂的拉伸强度、断裂伸长率，使环氧树脂柔韧性增强，且耐蚀性也有所提高。刘扬等(纤维复合材料，2005年6月，第2期)制备了纳米TiO2/环氧树脂复合材料，当纳米TiO2含量为3％时，纳米TiO2/环氧的弯曲强度和拉伸强度比未添加纳米TiO2时分别提高了72％和65％。王建国等(200610028838.7)制备了碳米管/环氧树脂复合材料，其力学性能冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率和弯曲强度都有明显的提高。在纳米片复合环氧树脂方面，吕建坤等(复合材料，第19卷，第1期117页)制备了剥离型环氧/18-Mont纳米复会材料，在纳米片含量为2％～3％(wt)时，复合材料弯曲和冲击强度与未填充纳米片的环氧树脂相比分别提高了10％和50％。
纳米二氧化铈具有良好的电学、力学和光学性能，因此被广泛应用于电极、光催化剂、防腐涂层、气体传感器、燃料电池、耐磨材料等方面。韩颖等(第四军医大学学报，2007年第28期19卷1822页)用纳米二氧化铈改性硅橡胶，实验表明：当硅橡胶中添加20g/kg表面改性纳米CeO2时，其综合机械性能包括拉伸强度，撕裂强度，扯断伸长率的改善为最优。但把具有不同形态结构的纳米二氧化铈复合到环氧树脂中，至今尚未有人报道过。
本发明以制备分散性好，高性能的二氧化铈/环氧树脂复合材料为目的，用溶剂分散法把不同形态的纳米二氧化铈(二氧化铈纳米棒/线/管、纳米片、纳米立方体、纳米球、纳米纺锤体等和纳米花等不同维度二氧化铈纳米粒子)与环氧树脂进行复合，制备了纳米粒子/环氧树脂复合材料，进而提高了环氧树脂复合材料的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高分散性的纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法。
本发明一种纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
a、纳米二氧化铈的分散处理：将纳米二氧化铈先在120℃烘箱中烘干水分，冷却后，将一定量的纳米二氧化铈与一定量的有机溶剂相混合，搅拌1～5小时，并用50～100kHz超声在40～100℃下处理1～5小时；纳米二氧化铈与有机溶剂的用量的重量体积比为：1∶5～1∶30(g/ml)。即每1g二氧化铈需使用5～30ml的有机溶剂。
b、纳米二氧化铈在环氧树脂中的分散处理：将一定量的环氧树脂在真空下80～120℃加热4～8小时前处理，然后加入处理后的纳米二氧化铈，搅拌2～6小时，再用50～150kHz超声在40～100℃处理1～5小时；环氧树脂与纳米二氧化铈两者用量的重量比，即环氧树脂∶纳米二氧化铈＝20∶1～100∶1；将上述混合物放入真空烘箱中，在50～120℃下处理10～24h，以除去溶剂。
c、纳米复合材料固化：然后在上述混合物中加入一定量的固化剂；固化剂的用量以环氧树脂的用量为计量基准，即固化剂的用量为环氧树脂用量的10～40wt％；真空加热以除去气泡；然后在室温下固化24小时，或者在80～160℃分段升温加热固化。固化时间各为2～3小时；最终得到纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料。
所述的纳米二氧化铈为纳米棒、纳米线、纳米片、纳米球、纳米立方体各种形貌中的任一种。
所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂包括E51、E44、E42中的任一种。
所述的有机溶剂为乙醇、丙酮、三氯甲烷、甲苯中的任一种。
所述的固化剂为多元胺类固化剂，包括有间苯二胺、二胺基二苯甲烷、固化剂593中的任一种。
本发明方法可制得分散性好、冲击强度高的不同形态结构纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料。本发明方法所用的溶剂分散法工艺简单，操作方便。本发明方法的特点是纳米颗粒分散均匀，制得的复合材料其力学性能较优。本发明中，纳米二氧化铈在复合材料中的含量为0.5～5wt％。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
(1)称取0.2g二氧化铈纳米棒先在120℃烘箱中烘干水分，将二氧化铈纳米棒与4mL乙醇混合，搅拌2h，用100kHz超声在60℃下处理2h；另外，17.4g E51环氧树脂在80℃真空下加热5h，再加入处理的二氧化铈纳米棒，搅拌5h，用100kHz超声在60℃处理5h；混合物放入真空且在80℃下24h，除去溶剂。
(2)加入2.6g间苯二胺，真空除气泡，80℃/2h，150℃/2h升温固化，得到1.0％二氧化铈纳米棒/环氧树脂复合材料。
按照GB/T 1041-92标准测试复合材料冲击强度为12.4kj/m2，比纯环氧树脂冲击强度提高幅度大于80％。
实施例2
(1)称取0.2g二氧化铈纳米片先在120℃烘箱中烘干水分，将二氧化铈纳米片与4mL丙酮混合，搅拌3h，用100kHz超声在50℃下处理3h；另外，16g E44环氧树脂在80℃真空下加热5h，再加入处理的二氧化铈纳米片，搅拌5h，用100kHz超声在50℃处理5h；混合物放入真空且在60℃下12h，除去溶剂。
(2)加入4g室温固化剂593，真空除气泡，室温固化24h，得到1.0％二氧化铈纳米片/环氧树脂复合材料。
按照GB/T 1041-92标准测试复合材料冲击强度为17.3kj/m2，比纯环氧树脂冲击强度提高幅度大于100％。
实施例3
(1)称取0.4g二氧化铈纳米立方体先在120℃烘箱中烘干水分，将二氧化铈纳米立方体与6mL三氯甲烷混合，搅拌5h，用100kHz超声在55℃下处理5h；另外，16g E42环氧树脂在80℃真空下加热5h，再加入处理的二氧化铈纳米立方体，搅拌5h，用100kHz超声在55℃处理5h；混合物放入真空且在65℃下16h，除去溶剂。
(2)加入4g二胺基二苯甲烷，真空除气泡，80℃/2h，160℃/2h升温固化，得到2.0％二氧化铈纳米立方体/环氧树脂复合材料。
按照GB/T 1041-92标准测试复合材料冲击强度为12.9kj/m2，比纯环氧树脂冲击强度提高幅度大于50％。

Claims (5)

1.一种纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
a、纳米二氧化铈的分散处理：将纳米二氧化铈先在120℃烘箱中烘干水分，冷却后，将一定量的纳米二氧化铈与一定量的有机溶剂相混合，搅拌1～5小时，并用50～100kHz超声在40～100℃下处理1～5小时；纳米二氧化铈与有机溶剂的用量的重量体积比为：1∶5～1∶30(g/ml)，即每1g二氧化铈需使用5～30ml的有机溶剂；
b、纳米二氧化铈在环氧树脂中的分散处理：将一定量的环氧树脂在真空下80～120℃加热4～8小时前处理，然后加入处理后的纳米二氧化铈，搅拌2～6小时，再用50～150kHz超声在40～100℃处理1～5小时；环氧树脂与纳米二氧化铈两者用量的重量比，即环氧树脂∶纳米二氧化铈＝20∶1～100∶1；将上述混合物放入真空烘箱中，在50～120℃下处理10～24h，以除去溶剂；所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂；
c、纳米复合材料固化：然后在上述混合物中加入一定量的固化剂；固化剂的用量以环氧树脂的用量为计量基准，即固化剂的用量为环氧树脂用量的10～40wt％；真空加热以除去气泡；然后在室温下固化24小时，或者在80～160℃分段升温加热固化，固化时间各为2～3小时；最终得到纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于所述的纳米二氧化铈为纳米棒、纳米线、纳米片、纳米球、纳米立方体各种形貌中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂包括E51、E44、E42中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于所述的有机溶剂为乙醇、丙酮、三氯甲烷、甲苯中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种纳米二氧化铈/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于所述的固化剂为多元胺类固化剂，包括有间苯二胺、二胺基二苯甲烷、固化剂593中的任一种。 
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