CN102942766A

CN102942766A - 耐磨型环氧树脂材料的制备方法

Info

Publication number: CN102942766A
Application number: CN2012105187072A
Authority: CN
Inventors: 雷自强; 高淑玲; 张惠怡; 何海涛; 马德龙; 张哲�; 马国富; 王荣方
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: CN102942766B

Abstract

本发明提供了一种耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，是以环氧树脂为基体，以坡缕石黏土、碳纤维作为协同添加剂复合而得。坡缕石由于其特殊的结构能有效提高材料的力学性能及加工性能；碳纤维由于具有良好的导热性，可及时传递摩擦产生的热量，降低材料表面温度，从而降低材料表面的磨损量。因此，本发明利用坡缕石黏土协同碳纤维作为添加剂，不仅能有效改善了环氧树脂的耐磨性，同时也可以提高基体的抗冲击能力及加工性能；另外，坡缕石黏土和碳纤维的添加，可降低了环氧树脂材料的成本。本发明拓展了环氧树脂的应用范围。

Description

耐磨型环氧树脂材料的制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，尤其涉及一种以坡缕石黏土、碳纤维作为协同添加剂的耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法。

背景技术

环氧树脂固化物普遍具有优良的电绝缘性能、耐腐蚀性能和粘结性能等。与酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂相比，环氧树脂具有下列优异的性能：粘结性好、固化收缩小、电性能好、化学稳定性好、容易改性，用途广泛。但是由于其固化后交联密度高，造成内应力大、质脆，以及耐热性差、摩擦系数高等不足而限制了环氧树脂的进一步应用。

近年来，较多科研工作者尝试着将纳米粒子用于聚合物摩擦性能的改善，非常低的添加量就能有效的降低聚合物的磨损率，并且通过对填料的处理，可以有效改变聚合物的摩擦系数和力学性能。坡缕石由于其特殊的结构，是一种改善复合材料的首选填料。中国专利CN102504672A公开了一种环氧树脂基耐磨防腐材料，是以环氧树脂为基体，以纳米坡缕石-氧化铝为填料，采用超声分散及机械共混技术制备而成，具有优异的耐磨防腐性能，并具有良好的附着力，因此，可作为复合涂层应用在机械零部件材料表面，以改善机械零部件的耐磨防腐性能，从而延长金属零部件的使用寿命，但是由于使用氧化铝为协效剂，其制备工艺复杂，虽然提高环氧树脂基的耐磨性，但耐磨性能并能不理想。中国专利CN102391473A公开了一种酸酐固化环氧树脂/坡缕石纳米复合材料的制备方法，包括：将坡缕石研磨成矿粉；对坡缕石矿粉进行煅烧活化处理；将环氧树脂加热液化，加入坡缕石混合、搅拌；加入酸酐固化剂，将所得混合物搅拌后抽真空脱气处理等即成复合材料，显著提高环氧树脂酸酐固化材料韧性，显著提高机械性能和热稳定性，该产品一般用于浇铸或封装电子、电气产品并加热固化，但该发明并没有测试坡缕石黏土对复合材料提高耐磨性的贡献，及复合材料的耐磨性。

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。其具有轴向强度，和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性等优点，因此，以碳纤维作为填料在制备复合导电材料中得到广泛地应用，但目前并没有以碳纤维、坡缕石黏土作为复配添加剂，环氧树脂为基体制备耐磨复合材料的公开报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法。

本发明耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，是以环氧树脂为基体，以坡缕石黏土、碳纤维作为协同添加剂复合而得。其具体制备工艺如下：

本发明环氧树脂/坡缕石黏土/碳纤维抗磨损复合材料的制备方法，是将环氧树脂加热液化，用稀释剂稀释后，加入增韧剂，搅拌均匀后，加入坡缕石黏土与碳纤维，搅拌混合均匀，真空脱气处理后加入固化剂，搅拌均匀，再次抽真空处理，倒模，于50~70℃烘箱中固化12~24h，既得；

所述坡缕石黏土的粒径为20~100nm，其加入量为环氧树脂质量的1~9%；

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的加入量为环氧树脂质量的1~9%。

所述稀释剂是有二甲苯与正丁醇以1:2~1:4的体积比形成的混合液。

所述增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯，其加入量为环氧树脂质量的0.2~0.8%。

本发明的环氧树脂/坡缕石黏土/碳纤维复合材料，利用坡缕石黏土协同碳纤维作为添加剂，坡缕石由于其特殊的结构能有效提高材料的力学性能及加工性能；碳纤维由于具有良好的导热性，可及时传递摩擦产生的热量，降低材料表面温度，从而降低材料表面的磨损量。因此，坡缕石黏土与碳纤维协同，不仅可以提高基体的力学性能及加工性能，同时有效改善了环氧树脂的耐磨性；另外，坡缕石黏土和碳纤维的添加，也降低了环氧树脂材料的成本，从而拓展了环氧树脂的应用。

下面通过具体实验对本发明环氧树脂/坡缕石黏土/碳纤维复合材料的耐磨性能及机械加工性能进行测定。

1.耐磨性能

1.1 摩察系数测试：在UMT-3MT摩擦试验机上进行摩擦磨损试验，加载力为50N，频率为3.3HZ，行程3mm，对偶Φ10mm，测试时间10min，直接得到摩察系数。

测试结果：且随着碳纤维含量的增加，复合材料的平均摩擦系数也逐渐减小；随着坡缕石黏土含量的增加，复合材料的平均摩擦系数增大。当坡缕石黏土的加入量为1~9%，碳纤维的加入量为1~9%时，复合材料的平均摩擦系数在0.04018～0.33500。总体摩擦性能较纯环氧树脂均有明显提高（纯环氧树脂的平均摩擦系数为0.22802）。

1.2 磨损量测试：对制备样品在摩擦试验前后分别用精密分析天平称其质量，各称量5次，取其平均值，比较平均磨损量。

测试结果：环氧树脂复合材料的平均磨损量为0.00121g~0.00474g。环氧树脂复合材料的耐磨性较纯环氧树脂有所提高（纯环氧树脂的磨损量为0.00126g。）

2. 机械加工性能

2.1 抗冲击性能：按照国标《GB/T 2571-1995》将复合材料制备80mm×10mm×4mm的样条，进行抗冲击性能测试。

测试结果：平均抗冲击性能为30.6J/m~68.7J/m，相对纯环氧树脂，提高了10.12%~39.64%（纯环氧树脂的抗冲击强度为49.2J/m）。

2.2 抗弯曲强度：按照国标《GB/T 2571-1995》将复合材料制备80mm×10mm×6mm的样条，进行抗弯曲性能测试。

弯曲强度为47.49~60.65Mpa，由于添加了无机纳米粒子，试样弯曲强度均有所降低（纯环氧树脂的弯曲强度为63.78）。

综合上述各类性能，本发明选取坡缕石黏土的添加量为1~9%，碳纤维的添加量为1~9%时，得到的耐磨环氧树脂复合材料具有较好的机械加工性能和抗磨损性能。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明改性耐磨环氧树脂复合材料的制备及性能进行说明。

实施例1

取5g环氧树脂加入到50mL的圆底烧瓶中，置于50℃油浴中进行液化。加入稀释剂（二甲苯0.25mL，正丁醇0.50mL），搅拌10min；然后加入增韧剂邻苯二甲酸丁二酯0.049 mL，搅拌10min；加入0.05g的坡缕石黏土、0.45g碳纤维，搅拌40min；抽真空10min；加入T-31固化剂1.25g，抽真空2min，倒入模具，在60℃烘箱中固化24h，既得环氧树脂复合材料。

耐磨性能测试：平均摩察系数为0.04018，平均磨损量为1.23mg 抗冲击性能为68.70J/m，抗弯曲强度为57.97Mpa。

实施例2

取5g环氧树脂加入到50mL的圆底烧瓶中，置于50℃油浴中进行液化。加入稀释剂（二甲苯0.20mL，正丁醇0.55mL），搅拌10min；然后加入增韧剂邻苯二甲酸丁二酯0.013 mL，搅拌10min；加入0.15g的坡缕石黏土、0.35g碳纤维，搅拌40min；抽真空10min；加入T-31固化剂1.25g，抽真空2min，倒入模具，在70℃烘箱中固化12h，既得环氧树脂复合材料。

耐磨性能测试：平均摩察系数为0.05849，平均磨损量为2.42mg，抗冲击性能为50.27J/m，抗弯曲强度为58.06Mpa。

实施例3

取5g环氧树脂加入到50mL的圆底烧瓶中，置于50℃油浴中进行液化。加入稀释剂（二甲苯0.21mL，正丁醇0.54mL），搅拌10min；然后加入增韧剂邻苯二甲酸丁二酯0.035mL，搅拌10min；加入0.25g的坡缕石黏土、0.25g碳纤维，搅拌40min；抽真空10min；加入T-31固化剂1.25g，抽真空2min，倒入模具，在60℃烘箱中固化24h，既得环氧树脂复合材料。

耐磨性能测试：平均摩察系数为0.1054，平均磨损量为3.57mg，抗冲击性能为48.56J/m，抗弯曲强度为47.49Mpa。

实施例4

取5g环氧树脂加入到50mL的圆底烧瓶中，置于50℃油浴中进行液化。加入稀释剂（二甲苯0.15mL，正丁醇0.60mL），搅拌10min；然后加入增韧剂邻苯二甲酸丁二酯0.027 mL，搅拌10min；加入0.35g的坡缕石黏土、0.15g碳纤维，搅拌40min；抽真空10min；加入T-31固化剂1.25g，抽真空2min，倒入模具，在60℃烘箱中固化24h，既得环氧树脂复合材料。

耐磨性能测试：平均摩察系数为0.3350，平均磨损量为1.21mg，抗冲击性能为36.60J/m，抗弯曲强度为60.65Mpa。

实施例5

取5g环氧树脂加入到50mL的圆底烧瓶中，置于50℃油浴中进行液化。加入稀释剂（二甲苯0.23mL，正丁醇0.52mL），搅拌10min；然后加入增韧剂邻苯二甲酸丁二酯0.019 mL，搅拌10min；加入0.45g的坡缕石黏土、0.05g碳纤维，搅拌40min；抽真空10min；加入T-31固化剂1.25g，抽真空2min，倒入模具，在65℃烘箱中固化18h，既得环氧树脂复合材料。

耐磨性能测试：平均摩察系数为0.2145，平均磨损量为4.74mg，抗冲击性能为56.52J/m，抗弯曲强度为49.933Mpa。

上述各实施例中的碳纤维购买自兰州郝氏碳纤维材料有限公司，为通用型碳纤维。

Claims

1.耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，是以环氧树脂为基体，以坡缕石黏土、碳纤维作为协同添加剂复合而得。

2.如权利要求1所述耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

3.如权利要求2所述耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳纤维的用量为环氧树脂质量的1~9%。

4.如权利要求1所述耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述坡缕石黏土的粒度为20~100nm。

5.如权利要求4所述耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述坡缕石黏土的用量为环氧树脂质量的1~9%。

6.如权利要求1~5所述任何一种耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：将环氧树脂加热液化，用稀释剂稀释后，加入增韧剂，搅拌均匀后，加入坡缕石黏土、碳纤维，搅拌混合均匀，真空脱气处理，加入固化剂，搅拌均匀，再次抽真空处理，倒模，于50~70℃烘箱中固化12~24h既得。

7.如权利要求6所述耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述稀释剂是由二甲苯与正丁醇以1:2~1:4的体积比形成的混合液。

8.如权利要求6所述耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯。

9. 如权利要求8所述耐磨型环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述增韧剂的加入量为环氧树脂质量的0.2~0.8%。