CN105038121A - 一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法 - Google Patents

一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料，其制备方法包括以下步骤：将环氧树脂体系溶解于有机溶剂中，然后添加ZrO2-MWCNTs，搅拌混匀后超声分散30min，将其均匀喷涂在圆形的玻璃片上，常温放置30min，110℃烘烤1h，220℃烘烤1.5h，得ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料。该方法将多壁碳纳米管(MWCNTs)和二氧化锆(ZrO2)结合制成ZrO2-MWCNTs纳米杂化材料，通过搅拌、超声分散使其分散在环氧树脂体系中，制得的ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料相对于环氧树脂，在提高韧性、耐腐蚀性的同时，耐磨性得到明显的提高。

Description

一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料的制备领域，具体涉及一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法。
背景技术
环氧树脂作为一种常用的热固性塑料，具有优异的力学性能、低收缩力、耐化学腐蚀以及热稳定性，因而在石油管道、小汽车、机械等领域得到了广泛的应用。随着其应用领域的不断扩大，人们对环氧树脂的耐磨性提出了越来越高的要求，然而，由于环氧树脂在固化的过程中呈现三维交联网状结构，导致其摩擦磨损性能较差。
碳纳米管(Carbonnanotubes，CNTs)因其具有独特的结构、电学、力学、储氢等特能，所以在纳米电子器件、超强复合材料、储氢材料、催化剂载体等诸多新领域有着非常广泛的应用前景。此外，碳纳米管类似于石墨结构赋予其良好的润滑性能，使其可以作为润滑剂和耐磨材料添加到环氧树脂中改善环氧树脂的耐磨性。但现有技术中将碳纳米管添加到环氧树脂中，其环氧树脂的耐磨性能并不能得到非常有效的改善。
发明内容
本发明针对上述不足之处而提供的一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法，将多壁碳纳米管(MWCNTs)和二氧化锆(ZrO2)结合制成ZrO2-MWCNTs纳米杂化材料，然后通过搅拌、超声分散等操作，使其分散在环氧树脂体系中，制得的ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料相对于环氧树脂，在提高韧性、耐腐蚀性的同时，耐磨性得到明显的提高。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法，包括以下步骤：将环氧树脂体系溶解于有机溶剂中，然后添加ZrO2-MWCNTs粉末，搅拌混匀后超声分散30min，将其均匀喷涂在圆形的玻璃片上，常温下放置30min，然后110℃烘烤1h，最后220℃烘烤1.5h，得ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料；其中环氧树脂体系是环氧树脂和固化剂的混合物；有机溶剂为环己酮和二甲苯体积比为1:1的混合物；所添加的ZrO2-MWCNTs粉末重量占环氧树脂体系重量的1％～5％。
进一步地，环氧树脂重量占环氧树脂体系重量的82.5％。
进一步地，环氧树脂体系与有机溶剂的质量体积比为1:4。
进一步地，ZrO2-MWCNTs粉末重量占环氧树脂体系重量的1％～3％。
本发明提供的一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料及其制备方法，具有以下几种有益效果：
(1)将多壁碳纳米管(MWCNTs)和二氧化锆(ZrO2)结合制成ZrO2-MWCNTs纳米杂化材料，然后通过搅拌、超声分散等操作，使其分散在环氧树脂体系中，制得的ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料相对于环氧树脂，在提高韧性、耐腐蚀性的同时，耐磨性得到明显的提高。
(2)该制备方法简单，成本低，可批量生产。
附图说明
图1为样品1放大10000倍的SEM图片；
图2为样品1放大30000倍的SEM图片；
图3为样品2放大10000倍的SEM图片；
图4为样品2放大30000倍的SEM图片；
图5为样品3放大10000倍的SEM图片；
图6为样品3放大30000倍的SEM图片；
图7为样品4放大10000倍的SEM图片；
图8为样品4放大30000倍的SEM图片。
具体实施方式
实施例1
ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料样品1的制备：
将20g环氧树脂体系(16.5g环氧树脂E51和3.5gEponHPT1061固化剂)溶解于80mL有机溶剂(环己酮：二甲苯＝1:1，体积比)中，然后添加1gZrO2-MWCNTs粉末(通过溶胶-凝胶法制备，制备时MWCNTs和四氯化锆重量比为1:1)，搅拌混匀后超声分散30min，配成含ZrO2-MWCNTs粉末5％(相对于环氧树脂体系)的混合浆液，将其均匀喷涂在圆形的玻璃片上，常温下放置30min，然后110℃烘烤1h，最后220℃烘烤1.5h，得到样品1，重量为57.9267g。
其中，ZrO2-MWCNTs粉末的制备方法为：称取0.1g的羧基多壁碳纳米管加入含50mL乙醇和去离子水的混合溶液(乙醇：去离子水＝1:1，体积比)的烧杯中，再向烧杯中加入0.1g的ZrCl4，然后缓慢向烧杯中滴加氨水，调节其pH值至pH≥9.5，超声分散30min后置于磁力搅拌器上，常温下强烈搅拌4h，减压抽滤，烘干，最后500℃下煅烧2h，获得ZrO2-MWCNTs粉末0.1434g。
实施例2
ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料样品2的制备：
将20g环氧树脂体系(16.5g环氧树脂E51和3.5gEponHPT1061固化剂)溶解于80mL有机溶剂(环己酮：二甲苯＝1:1，体积比)中，然后添加0.6gZrO2-MWCNTs粉末(通过溶胶-凝胶法制备，制备时MWCNTs和四氯化锆重量比为1:1)，搅拌混匀后超声分散30min，配成含ZrO2-MWCNTs粉末3％(相对于环氧树脂体系)的混合浆液，将其均匀喷涂在圆形的玻璃片上，常温下放置30min，然后110℃烘烤1h，最后220℃烘烤1.5h，得到样品2，重量为55.4291g。
其中，ZrO2-MWCNTs粉末的制备方法同实施例1。
实施例3
ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料样品3的制备：
将20g环氧树脂体系(16.5g环氧树脂E51和3.5gEponHPT1061固化剂)溶解于80mL有机溶剂(环己酮：二甲苯＝1:1，体积比)中，然后添加0.2gZrO2-MWCNTs粉末(通过溶胶-凝胶法制备，制备时MWCNTs和四氯化锆重量比为1:1)，搅拌混匀后超声分散30min，配成含ZrO2-MWCNTs粉末1％(相对于环氧树脂体系)的混合浆液，将其均匀喷涂在圆形的玻璃片上，常温下放置30min，然后110℃烘烤1h，最后220℃烘烤1.5h，得到样品3，重量为57.5092g。
其中，ZrO2-MWCNTs粉末的制备方法同实施例1。
实施例4
ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料样品4的制备：
将20g环氧树脂体系(16.5g环氧树脂E51和3.5gEponHPT1061固化剂)溶解于80mL有机溶剂(环己酮：二甲苯＝1:1，体积比)中，搅拌混匀后超声分散30min，配成不含ZrO2-MWCNTs粉末的混合浆液，将其均匀喷涂在圆形的玻璃片上，常温下放置30min，然后110℃烘烤1h，最后220℃烘烤1.5h，得到样品4，重量为58.5234g。
对ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料进行SEM实验和耐磨性实验：
SEM实验：分别将样品1、样品2、样品3和样品4脆断后表面喷金，在JSM-7500F型扫描电子显微镜下进行观察和拍照，观察不同比例纳米粉体在树脂中的分散情况，结果见图1-8。
耐磨性实验：用BGD523ABRASER型耐磨仪测试样品1、样品2、样品3、样品4的耐磨性，每个样品进行3次实验，计算记录磨损前后重量，每次的损失量及最终的平均损失量。耐磨仪主要参数：采用美国CS-17转子，载荷1kg，旋转圈数1000r(滑动距离约为18840cm)，用万分之一天平测其磨损量，结果见表1。
表1各样品的耐磨性试验结果
样品1 样品2 样品3 样品4
磨损前重(g) 57.9267 55.4291 57.5092 58.5234
磨损1次后重(g) 57.9145 55.4206 57.5002 58.5128
损失量(mg) 12.2 8.5 9.0 10.6
磨损2次后重(g) 57.9035 55.4126 57.4910 58.5023
损失量(mg) 11.0 8.0 9.2 10.5
磨损3次后重(g) 57.8923 55.4045 57.4825 58.4913
损失量(mg) 11.2 8.1 8.5 11.0
平均值(mg) 11.47 8.2 8.9 10.7
SEM实验结果与分析：图7和图8分别表示样品4放大10000倍和30000倍的SEM图，该样品不含ZrO2-MWCNTs粉末，可作为对照实验。图1、图2分别表示样品1断层放大10000倍和30000倍的SEM图，图1中可以看到少量“鳞片”结构，也出现大片的空白区域，并且存在大量的纳米粒子团聚现象；图2可以更明显的看到纳米粒子团聚现象；图3、图4分别表示样品2断层放大10000倍和30000倍的SEM图，图3中出现大量的“鳞片”结构，并且分布比较均匀；图4也可以清楚的看到纳米粒子，且并未发生团聚现象；图5、图6分别表示样品3断层放大10000倍和30000倍的SEM图，图5出现明显的“鳞片”结构，但比较稀少且分布不均匀；图6并未看到纳米粒子，说明纳米粒子非常稀少。由于“鳞片”结构可以有效的阻挡腐蚀介质的浸入，并且属于韧性断裂，有利于涂层的力学性能，因此，“鳞片”结构相对较多并且分布均匀能提高涂层性能。由图1-6可得ZrO2-MWCNTs含量太高，纳米粒子团聚现象严重，含量太低时，“鳞片”结构结构较少，说明不同ZrO2-MWCNTs含量对ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料性能有不同影响，当ZrO2-MWCNTs含量为3％(相对于固体环氧树脂)时，ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料性能最佳。
耐磨性实验结果与分析：由表1可得，样品2的耐磨性最好，这是由于当ZrO2-MWCNTs含量为3％(相对于固体环氧树脂)时，ZrO2-MWCNTs与环氧树脂有较好的相容性，ZrO2-MWCNTs起到了物理交联点的作用；当ZrO2-MWCNTs含量为5％(相对于固体环氧树脂)时，复合材料的耐磨性能比不添加ZrO2-MWCNTs的耐磨性能还低，是因为ZrO2-MWCNTs含量过高时，会发生严重的团聚现象，对耐磨性起到反作用；当ZrO2-MWCNTs含量偏低时，耐磨效果不好。综上所述，当ZrO2-MWCNTs含量为3％(相对于固体环氧树脂)时，ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料耐磨性最佳。

Claims (5)

1.一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将环氧树脂体系溶解于有机溶剂中，然后添加ZrO2-MWCNTs粉末，搅拌混匀后超声分散30min，将其均匀喷涂在圆形的玻璃片上，常温下放置30min，然后110℃烘烤1h，最后220℃烘烤1.5h，得ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料；其中环氧树脂体系是环氧树脂和固化剂的混合物；有机溶剂为环己酮和二甲苯体积比为1:1的混合物；所添加的ZrO2-MWCNTs粉末重量占环氧树脂体系重量的1％～5％。
2.根据权利要求1所述的一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法，其特征在于，环氧树脂重量占环氧树脂体系重量的82.5％。
3.根据权利要求1所述的一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法，其特征在于，环氧树脂体系与有机溶剂的质量体积比为1:4。
4.根据权利要求1所述的一种ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料的制备方法，其特征在于，ZrO2-MWCNTs粉末重量占环氧树脂体系重量的1％～3％。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法制备出的ZrO2-MWCNTs/环氧树脂体系复合材料。
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