CN103525006B - 一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents
一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：将表面接枝改性后的纳米SiO2分散在适量蒸馏水中，经超声分散形成悬浊液；利用改性纳米SiO2对玻璃纤维进行表面改性处理，用喷枪将该悬浊液喷在准备好的玻璃纤维上，待纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪待用；称取一定量的环氧树脂，加入化学计量的环氧树脂固化剂，混合均匀后连同之前处理好的玻璃纤维一起放入模具中固化。采用该方法制备得到的纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料，具有很高的硬度、强度、韧性和延展性。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法。
背景技术
玻璃纤维复合材料是目前产量最大、用途最广的复合材料，已构成了复合材料的主体。玻璃纤维环氧树脂复合材料是由环氧树脂与玻璃纤维及其制品复合而成被广泛运用于国防、航空、造船、汽车、旅游、建筑等各个领域。在实际应用中经常用作承重部件，因此要求其强度高、并且拥有良好机械性能和物理性能。
对结晶性聚合物来说，材料的性能与结晶形态有密切的关系，很多无机填料对结晶性聚合物具有成核作用，结晶度、晶粒尺寸和完善程度以及结晶取向等都可影响材料的性能。无机刚性粒子的引入能改变体系的受力情况。体系在小应力作用下，颗粒周围产生空穴及大量的微裂纹，限制基体发生塑性变形的三维张力由于空穴的存在而松弛，而且颗粒周围的应力场不再简单地叠加，而是强烈地相互作用，导致颗粒间基体的屈服，并扩散到周围，使整个基体发生塑性变形从而达到增韧和增强的目的。
纳米粒子具有与常规粒子不同的物理化学性质，这些效应导致了纳米粒子在光学、力学、化学反应等方面的特殊性能。纳米微粒是近几年来研究和开发的新兴材料，由于其尺寸小、比表面积大、表面能高、活性高、分散性好，可获得好的增韧效果。有研究认为，树脂/纳米粒子复合材料对冲击能量的分散能由两相界面共同承担。当粒子的粒径小、比表面积大时，表面活性高，发生物理或化学结合的可能性大，界面因而可吸收大量冲击能；同时由于刚性纳米粒子的粒径小，应力很集中，可诱发大量的小裂纹或银纹，这些小裂纹或银纹发展需要大量的能量，同样可吸收大量的冲击能，具有增强增韧的功效。
纳米SiO2是无定型的白色粉末，其分子结构中存在大量不饱和的残键和不同键合状态的羟基，分子结构呈三维网状结构。这种结构可与树脂的某些基团发生键合作用，从而大大改善材料的硬度和强度；同时纳米SiO2颗粒由于尺寸小，当采用适当的方式与玻璃纤维/环氧树脂复合时纳米SiO2颗粒将分布在高分子键的空隙中，而其又具有较高的流动性，这使得由此而形成的纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料强度、韧性、延展性均大大提高
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法。
本发明实现上述目的的技术方案如下：一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤:
将表面接枝改性后的SiO2分散到蒸馏水中，超声波振荡形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液；
用喷枪将该纳米SiO2改性悬浊液喷在准备好的玻璃纤维上，得到纳米SiO2改性玻璃纤维，待所述纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪待用；
环氧树脂中加入活性稀释剂，加热、抽真空搅拌，接着再加入环氧树脂固化剂搅拌均匀得到环氧树脂与固化剂混合物；
将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性玻璃纤维一起放入模具，加热固化得到纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述将表面接枝改性后的SiO2分散到适量蒸馏水中，超声波振荡形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液的具体步骤如下：
利用硅烷偶联剂十二烷基三甲氧基硅烷(WD10)对纳米SiO2进行有机表面接枝改性；
将表面接枝改性后的SiO2按配比为0.20～0.40g:50mL分散到蒸馏水中，超声波振荡10min，形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液。
进一步，所述用喷枪将该纳米SiO2改性悬浊液喷在准备好的玻璃纤维上，得到纳米SiO2改性玻璃纤维，待所述纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪待用的具体步骤如下：
将含量为液态环氧树脂质量1～1.2倍的玻璃纤维铺好在工作台上，将纳米SiO2悬浊液装入喷枪；
用喷枪将纳米SiO2悬浊液喷涂在准备好的玻璃纤维上，22～26℃下放置待纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪整齐后待用。
进一步，所述环氧树脂中加入活性稀释剂，加热、抽真空搅拌，接着再加入环氧树脂固化剂搅拌均匀得到环氧树脂与固化剂混合物的具体步骤如下：
在E-44（6101）、E-54（616）任意一种液态环氧树脂中，按液态环氧树脂与活性稀释剂质量比为100g:0～0.50g加入050活性稀释剂或者正丁基缩水甘油醚中任意一种活性稀释剂，加热到80～90℃，抽真空搅拌1～1.5h；
再按液态环氧树脂与液态环氧树脂固化剂质量比为100g:8～100g加入650聚酰胺、聚壬二酸酐、三亚乙基四胺中任意一种液态环氧树脂固化剂，并搅拌均匀。
进一步，所述将环氧树脂与固化剂混合物连同步骤2中的纳米SiO2改性玻璃纤维一起放入模具，加热固化得到纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的具体步骤如下：
将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性玻璃纤维一起放入模具，在60～160℃温度下固化1～1.5h;
得到纳米SiO2改性玻璃纤维与环氧树脂基底复合的纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料，其中纳米SiO2含量相对于整个复合材料为0.07%～0.18%。
本发明的有益效果是：
1.制备过程简单，方便易操作；
2.测试无需对试样进行复杂的处理便可完成测试；
3.该方法制备得到的纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料，具有很高的硬度、强度、韧性和延展性。
附图说明
图1为本发明纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤:
将表面接枝改性后的SiO2分散到蒸馏水中，超声波振荡形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液；
用喷枪将该纳米SiO2改性悬浊液喷在准备好的玻璃纤维上，得到纳米SiO2改性玻璃纤维，待所述纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪待用；
环氧树脂中加入活性稀释剂，加热、抽真空搅拌，接着再加入环氧树脂固化剂搅拌均匀得到环氧树脂与固化剂混合物；
将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性玻璃纤维一起放入模具，加热固化得到纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料。
实施例1：
利用硅烷偶联剂十二烷基三甲氧基硅烷(WD10)对纳米SiO2进行有机表面接枝改性；将表面接枝改性后的SiO2按配比为0.20g:50mL分散到蒸馏水中，超声波振荡10min形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液；将含量为液态环氧树脂质量1倍即100g的玻璃纤维铺好在工作台上，将纳米SiO2悬浊液装入喷枪；用喷枪将纳米SiO2悬浊液喷涂在准备好的玻璃纤维上，22～26℃下放置待纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪整齐后待用；在100gE-44（6101）液态环氧树脂中，加入0.30g050活性稀释剂，加热到80℃，抽真空搅拌1h；接着再加入100g650聚酰胺液态环氧树脂固化剂，并搅拌均匀；将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性的玻璃纤维一起放入模具，在60℃温度下固化1h，得到纳米SiO2改性玻璃纤维与环氧树脂基底复合的纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料，其中纳米SiO2含量相对于整个复合材料为0.07%。
实施例2：
利用硅烷偶联剂十二烷基三甲氧基硅烷(WD10)对纳米SiO2进行有机表面接枝改性；将表面接枝改性后的SiO2按配比为0.30g:50mL分散到蒸馏水中，超声波振荡10min形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液；将含量为液态环氧树脂质量1.1倍即110g的玻璃纤维铺好在工作台上，将纳米SiO2悬浊液装入喷枪；用喷枪将纳米SiO2悬浊液喷涂在准备好的玻璃纤维上，22～26℃下放置待纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪整齐后待用；将100gE-54（616）液态环氧树脂加热到90℃，抽真空搅拌1h；再加入8g聚壬二酸酐液态环氧树脂固化剂，并搅拌均匀；将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性的玻璃纤维一起放入模具，在130℃温度下固化1.5h，得到纳米SiO2改性玻璃纤维与环氧树脂基底复合的纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料，其中纳米SiO2含量相对于整个复合材料为0.14%。
实施例3：
利用硅烷偶联剂十二烷基三甲氧基硅烷(WD10)对纳米SiO2进行有机表面接枝改性；将表面接枝改性后的SiO2按配比为0.40g:50mL分散到蒸馏水中，超声波振荡10min形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液；将含量为液态环氧树脂质量1.2倍即120g的玻璃纤维铺好在工作台上，将纳米SiO2悬浊液装入喷枪；用喷枪将纳米SiO2悬浊液喷涂在准备好的玻璃纤维上，22～26℃下放置待纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪整齐后待用；在100gE-44（6101）液态环氧树脂中，加入0.50g正丁基缩水甘油醚活性稀释剂，加热到80℃，抽真空搅拌1.5h；再加入14g三亚乙基四胺液态环氧树脂固化剂，并搅拌均匀；将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性的玻璃纤维一起放入模具，在100℃温度下固化1.5h，得到纳米SiO2改性玻璃纤维与环氧树脂基底复合的纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料，其中纳米SiO2含量相对于整个复合材料为0.18%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
将表面接枝改性后的SiO2分散到蒸馏水中，超声波振荡形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液；
用喷枪将该纳米SiO2改性悬浊液喷在准备好的玻璃纤维上，得到纳米SiO2改性玻璃纤维，待所述纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪待用；
环氧树脂中加入活性稀释剂，加热、抽真空搅拌，接着再加入环氧树脂固化剂搅拌均匀得到环氧树脂与固化剂混合物；
将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性玻璃纤维一起放入模具，加热固化得到纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料，
其中，所述环氧树脂中加入活性稀释剂，加热、抽真空搅拌，接着再加入环氧树脂固化剂搅拌均匀得到环氧树脂与固化剂混合物的具体步骤如下：
在E-44(6101)、E-54(616)任意一种液态环氧树脂中，按液态环氧树脂与活性稀释剂质量比为100g:0～0.50g加入050活性稀释剂或者正丁基缩水甘油醚中任意一种活性稀释剂，加热到80℃～90℃，抽真空搅拌1h～1.5h；
再按液态环氧树脂与液态环氧树脂固化剂质量比为100g:8～100g加入650聚酰胺、聚壬二酸酐、三亚乙基四胺中任意一种液态环氧树脂固化剂，并搅拌均匀。
2.根据权利要求1所述一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述将表面接枝改性后的SiO2分散到适量蒸馏水中，超声波振荡形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液的具体步骤如下：
利用硅烷偶联剂十二烷基三甲氧基硅烷(WD10)对纳米SiO2进行有机表面接枝改性；
将表面接枝改性后的SiO2按配比为0.20～0.40g/50mL分散到蒸馏水中，超声波振荡10min，形成稳定的纳米SiO2改性悬浊液。
3.根据权利要求1所述一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述用喷枪将该纳米SiO2改性悬浊液喷在准备好的玻璃纤维上，得到纳米SiO2改性玻璃纤维，待所述纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪待用的具体步骤如下：
将含量为液态环氧树脂质量1～1.2倍的玻璃纤维铺好在工作台上，将纳米SiO2悬浊液装入喷枪；
用喷枪将纳米SiO2悬浊液喷涂在准备好的玻璃纤维上，22～26℃下放置待纳米SiO2改性玻璃纤维充分干燥后，修剪整齐后待用。
4.根据权利要求1所述一种纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性玻璃纤维一起放入模具，加热固化得到纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料的具体步骤如下：
将环氧树脂与固化剂混合物连同纳米SiO2改性玻璃纤维一起放入模具，在60～160℃温度下固化1～1.5h；
得到纳米SiO2改性玻璃纤维与环氧树脂基底复合的纳米SiO2改性玻璃纤维/环氧树脂复合材料，其中纳米SiO2含量相对于整个复合材料为0.07％～0.18％。
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