CN104974528A - 一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有机高分子化学领域，具体涉及一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法。这种硅树脂基纳米复合材料包括以下重量份数的各组分：硅树脂15-60份、石英粉/纳米二氧化硅混合物20-60份、玻璃纤维15-35份、催化剂0.01-2.50份和脱模剂0.1-5.0份。制备的硅树脂基纳米复合材料，力学性能优异，弯曲强度得到了很大的提升。

Description

一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及有机高分子化学领域，具体涉及一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

硅树脂的硅原子上带有有机基团的交联型半无机半有机类型的高聚物，其高分子结构中具有多个活性基团，在加热或由催化剂存在下可进一步发生交联反应，固化形成不溶不熔的热固性树脂。因此，硅树脂具备突出的、稳定的耐候性，是任何一种硅树脂所望尘莫及的，即使在紫外线强烈照射下，硅树脂也耐泛黄。此外，硅树脂还具有优异的介电性能，在很大的温度、湿度和频率范围内爆出稳定，以及耐阻燃、耐高温、耐氧化、耐电弧、耐辐照、防水、防烟雾等特性。随着科技水平的不断提升，这些特性使得硅树脂为基体制备得到的绝缘漆、涂料、粘接剂和有机硅塑料等在一些重要领域有着良好的应用前景。

由于高度三维网状结构，硅树脂往往会表现出易应力开裂，力学强度低等缺点，使其应用受到很大的限制。为了获得满足实际应用的硅树脂基复合材料，通常都往基体添加不同增强填料和各种助剂。例如，中国专利“CN86105393A”公开了以聚硅氧烷为原料，结合含有碳原子为8-24异构烷烃和填料(如石英粉，硫酸钙，滑石粉等)可以制备得到一种可用于牙科模料的有机硅纳米复合材料制品。此外，在申请号为“CN200810137199.7”的中国专利“硅树脂基复合材料的制备方法”中，将硅树脂涂覆到纤维布上，再经过浸润、加热和氮气处理，得到一种具有优异力学性能的硅树脂复合材料。这些方法虽然可以制备得到较为理想的硅树脂纳米复合材料，但其成本较高，且加工工艺也相对复杂，这一定程度限制其在电子电器领域的应用。

发明内容

为了解决目前的硅树脂基复合材料易应力开裂、力学强度低以及制备纳米复合材料的工艺复杂、成本较高的问题，本发明提供一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种硅树脂基纳米复合材料，所述硅树脂基纳米复合材料包括以下重量份数的各组分：

硅树脂15-60份、石英粉/纳米二氧化硅混合物20-60份、玻璃纤维15-35份、催化剂0.01-2.50份和脱模剂0.1-5.0份。

采用不同尺寸的石英粉和纳米二氧化硅复配，并调控他们之间比例含量(石英粉/二氧化硅的比例为5/1-20/1之间)，这一多尺度耦合能够产生协同增强效应，同时能够改善硅树脂与短纤维之间的界面，从而显著提高硅树脂/短玻璃纤维复合材料的弯曲强度；

作为优选，所述硅树脂基纳米复合材料还包括硅橡胶颗粒0.5-5.0份，硅橡胶颗粒的粒径为1-50微米。

采用填充适量的硅橡胶粉末还能够提高断裂能量，避免缓冲材料失效过程中的脆性断裂，改善了其抗弯曲形变的能力。

硅橡胶具有很好变形能力和耐高温性能，并能够在材料失效过程中能够吸收内部缺陷引发断裂能，从而有效提高硅树脂基纳米复合材料的力学性能和保持其耐高温性能。

作为优选，所述石英粉/纳米二氧化硅混合物中石英粉与纳米二氧化硅的比例为5/1-20/1。

作为优选，石英粉的粒径为200-6000目。

作为优选，纳米二氧化硅的粒径为20-100nm。

作为优选，玻璃纤维的长度为3-6mm。

作为优选，催化剂为N，N-二甲基苄胺、苯甲酸酐、苯甲酸或碱式碳酸铅中的一种或多种。

作为优选，脱模剂为硬脂酸钙、硬脂酸镁或硬脂酸锌。

本发明基于材料空间分布原理，采用不同尺度石英粉或纳米二氧化硅和增强填料短玻璃纤维协同增强硅树脂：不同尺度石英粉和纳米二氧化硅的耦合可以有效地解决纤维束间的空间间隙，以减少缺陷的产生；同时多尺度的石英粉和纳米二氧化硅也能够改善纤维与树脂基体间的界面。本发明采用不同尺寸石英粉和纳米二氧化硅与短纤维复配相结合来增强硅树脂，并利用合适比例的不同尺寸石英粉来优化复合材料内部结构，从而制备得到具有优异力学性能硅树脂纳米复合材料制品。结果显示：采用一定的比例不同尺寸的石英粉复配，利用简单的机械共混工艺，可以制备得到优异力学性能的硅树脂纳米复合材料，其弯曲强度达到约62MPa，比纯硅树脂提高了约300％。

一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将石英粉/纳米二氧化硅混合物、硅橡胶颗粒和玻璃纤维混合均匀为混合填料，将硅树脂在开炼机中预热至熔融状态，温度为80-85℃；

(2)将上述混合填料分3-6次加入到熔融的硅树脂中，进行物理共混，混炼时间为20-30分钟，开炼机辊速为50-200rpm；

(3)将步骤(2)中的混合填料与硅树脂混合均匀后，加入催化剂、脱模机和颜料等，物理共混5-15min；

(4)将步骤(3)混合后的产物从开炼机取下，冷却后并粉碎得到硅树脂基纳米复合材料粉末；

(5)根据实际需求，将硅树脂基纳米复合材料粉末进行模压成型，成型工艺为175℃和15MPa条件下10-30min，并在200℃下固化120min。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

制备的硅树脂基纳米复合材料，力学性能优异，弯曲强度得到了很大的提升。应力均匀不易开裂。本发明的制备工艺简单，成本较低。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

以下实施例，每份为100g。

实施例1：

一种硅树脂基纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将20份的石英粉/纳米二氧化硅混合物(石英粉/纳米二氧化硅混合物中石英粉与纳米二氧化硅的比例为20/1)、0.5份硅橡胶颗粒和15份玻璃纤维混合均匀为混合填料，将60份硅树脂在开炼机中预热至熔融状态，温度为80℃；石英粉的粒径为6000目，纳米二氧化硅的粒径为20nm，玻璃纤维的长度为6mm

(2)将上述混合填料分3次加入到熔融的硅树脂中，进行物理共混，混炼时间为30分钟，开炼机辊速为50rpm；

(3)将步骤(2)中的混合填料与硅树脂混合均匀后，加入2.50份催化剂、0.1份脱模机和颜料等，物理共混15min；颜料为常规加入量；催化剂为N，N-二甲基苄胺；脱模剂为硬脂酸钙；

(4)将步骤(3)混合后的产物从开炼机取下，冷却后并粉碎得到硅树脂基纳米复合材料粉末；

(5)根据实际需求，将硅树脂基纳米复合材料粉末进行模压成型，成型工艺为175℃和15MPa条件下10min，并在200℃下固化120min。制得80×10×4mm的样条。

按国家标准GB/T 9341-2008测试塑料的弯曲性能(表1)。

实施例2

一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将60份的石英粉/纳米二氧化硅混合物(石英粉/纳米二氧化硅混合物中石英粉与纳米二氧化硅的比例为5/1)、3份硅橡胶颗粒和35份玻璃纤维混合均匀为混合填料，将15份硅树脂在开炼机中预热至熔融状态，温度为85℃；石英粉的粒径为200目，纳米二氧化硅的粒径为100nm，玻璃纤维的长度为3mm

(2)将上述混合填料分6次加入到熔融的硅树脂中，进行物理共混，混炼时间为20分钟，开炼机辊速为200rpm；

(3)将步骤(2)中的混合填料与硅树脂混合均匀后，加入0.01份催化剂、5.0份脱模机和颜料等，物理共混5min；颜料为常规加入量；催化剂为苯甲酸酐；脱模剂为硬脂酸镁；

(4)将步骤(3)混合后的产物从开炼机取下，冷却后并粉碎得到硅树脂基纳米复合材料粉末；

(5)根据实际需求，将硅树脂基纳米复合材料粉末进行模压成型，成型工艺为175℃和15MPa条件下30min，并在200℃下固化120min。制得80×10×4mm的样条。

按国家标准GB/T 9341-2008测试塑料的弯曲性能(表1)。

实施例3

一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将55份的石英粉/纳米二氧化硅混合物(石英粉/纳米二氧化硅混合物中石英粉38份，1200目11份，/6000目38份，纳米二氧化硅6份，20nm)、5份硅橡胶颗粒和22份玻璃纤维混合均匀为混合填料，将26份甲基苯基硅树脂在开炼机中预热至熔融状态，温度为80-85℃；玻璃纤维的长度为3mm；

(2)将上述混合填料分3次加入到熔融的硅树脂中，进行物理共混，混炼时间为30分钟，开炼机辊速为100rpm；

(3)将步骤(2)中的混合填料与硅树脂混合均匀后，加入0.01份催化剂、0.1份脱模机和颜料等，物理共混10min；颜料为常规加入量；催化剂为苯甲酸酐；脱模剂为硬脂酸钙；

(4)将步骤(3)混合后的产物从开炼机取下，冷却后并粉碎得到硅树脂基纳米复合材料粉末；

(5)根据实际需求，将硅树脂基纳米复合材料粉末进行模压成型，成型工艺为175℃和15MPa条件下10-30min，并在200℃下固化120min。制得80×10×4mm的样条。

按国家标准GB/T 9341-2008测试塑料的弯曲性能(表1)。

实施例4

一种硅树脂基纳米复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

(1)首先将60份的石英粉/纳米二氧化硅混合物(石英粉/纳米二氧化硅混合物中石英粉与纳米二氧化硅的比例为5/1)和35份玻璃纤维混合均匀为混合填料，将15份硅树脂在开炼机中预热至熔融状态，温度为85℃；石英粉的粒径为2000和1000目各一半，纳米二氧化硅的粒径为100nm，玻璃纤维的长度为3mm；

(2)将上述混合填料分6次加入到熔融的硅树脂中，进行物理共混，混炼时间为20分钟，开炼机辊速为200rpm；

(3)将步骤(2)中的混合填料与硅树脂混合均匀后，加入0.01份催化剂、5.0份脱模机和颜料等，物理共混5min；颜料为常规加入量；催化剂为碱式碳酸铅；脱模剂为硬脂酸锌；

(4)将步骤(3)混合后的产物从开炼机取下，冷却后并粉碎得到硅树脂基纳米复合材料粉末；

(5)根据实际需求，将硅树脂基纳米复合材料粉末进行模压成型，成型工艺为175℃和15MPa条件下30min，并在200℃下固化120min。制得80×10×4mm的样条。

按国家标准GB/T 9341-2008测试塑料的弯曲性能(表1)。

对比例

在80-85℃的开炼机上，将140g的甲基硅树脂加热至熔融状态下，依次加入60g的3mm短玻璃纤维和5.6g硬酯酸钙，混炼30分钟，再加入0.01g苯甲酸酐和0.01g碱式碳酸铅混炼10分钟，出料粉碎得到纳米复合材料粉末，经在175℃和15MPa下压制成型，制得80×10×4mm的样条。作为比较，未添加短纤维的硅树脂也利用上述工艺制备得到。按国家标准GB/T 9341-2008测试塑料的弯曲性能(表1)，相应的弯曲强度约为37.88MPa，比纯硅树脂提高了近156％。

表1

材料	材料的弯曲强度[MPa]	材料的弯曲应变[％]
			纯树脂	14.81±1.72	1.72±0.61
对比例	37.88±5.03	4.81±1.38
			实施例1	61.87±7.64	2.60±0.89
实施例2	63.11±4.68	2.48±1.25
			实施例3	62.03±5.07	2.51±0.12
实施例4	62.12±6.39	2.50±0.63

通过各实施例、对比例以及纯树脂对比可知，本发明的方案对材料的力学性能进行了很大的优化，极大提高了材料的力学性能。

Claims (9)

1.一种硅树脂基纳米复合材料，其特征在于，所述硅树脂基纳米复合材料包括以下重量份数的各组分：

硅树脂15-60份、石英粉/纳米二氧化硅混合物20-60份、玻璃纤维15-35份、催化剂0.01-2.50份和脱模剂0.1-5.0份。

2.根据权利要求1所述的一种硅树脂基纳米复合材料，其特征在于，所述硅树脂基纳米复合材料还包括硅橡胶颗粒0.5-5.0份，硅橡胶颗粒的粒径为1-50微米。

3.根据权利要求1所述的一种硅树脂基纳米复合材料，其特征在于，所述石英粉/纳米二氧化硅混合物中石英粉与纳米二氧化硅的比例为5/1-20/1。

4.根据权利要求1所述的一种硅树脂基纳米复合材料，其特征在于，石英粉的粒径为200-6000目。

5.根据权利要求1所述的一种硅树脂基纳米复合材料，其特征在于，纳米二氧化硅的粒径为20-100nm。

6.根据权利要求1所述的一种硅树脂基纳米复合材料，其特征在于，玻璃纤维的长度为3-6mm。

7.根据权利要求1所述的一种硅树脂基纳米复合材料，其特征在于，催化剂为N，N-二甲基苄胺、苯甲酸酐、苯甲酸或碱式碳酸铅中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的一种硅树脂基纳米复合材料，其特征在于，脱模剂为硬脂酸钙、硬脂酸镁或硬脂酸锌。

9.一种根据权利要求1所述的一种硅树脂基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先将石英粉/纳米二氧化硅混合物、硅橡胶颗粒和玻璃纤维混合均匀为混合填料，将硅树脂在开炼机中预热至熔融状态，温度为80-85℃；

（2）将上述混合填料分3-6次加入到熔融的硅树脂中，进行物理共混，混炼时间为20-30分钟，开炼机辊速为50-200rpm；

（3）将步骤（2）中的混合填料与硅树脂混合均匀后，加入催化剂、脱模机和颜料等，物理共混5-15min；

（4）将步骤（3）混合后的产物从开炼机取下，冷却后并粉碎得到硅树脂基纳米复合材料粉末；

（5）根据实际需求，将硅树脂基纳米复合材料粉末进行模压成型，成型工艺为175℃和15MPa条件下10-30min，并在200℃下固化120min。