【地坪网资讯】                   有机海泡石/环氧树脂复合材料的研究
                         商平  闫丰  高留意  刘美云
                （天津科技大学海洋科学与工程学院，天津300457）
    摘要：以环氧树脂为基体，酚醛胺(T31)为固化剂，有机改性后的海泡石为增强剂，制备了有机海泡石/环氧树脂复合材料。通过X射线衍射 （XRD）分析、傅里叶变换红外（FTIR）分析、热重分析（TG）、拉伸试验研究了复合材料的结构、力学性能、耐热性能。结果表明，环氧树脂可插层进入 有机海泡石中；随着有机海泡石加入量的增加，环氧树脂的力学性能和耐热性能逐渐增强，有机海泡石含量为1%时，其拉伸剪切强度比纯环氧树脂提高了 69.5%；有机海泡石含量为2%时，热分解温度提高了31℃。
    关键词：环氧树脂  海泡石  改性  复合材料
    中图分类号：TB332;TD985文献标识码：A文章编号：1000-8098(2012)01-0004-03
    环氧树脂（EP）是一种重要的基体材料，广泛用于复合材料及黏合剂的制造。由于环氧固化物具有高度交联结构，存在质脆、抗冲击韧性差等缺点，其应 用受到一定限制，因此对环氧树脂的改性已成为研究热点。有机-无机复合材料通常表现出优异的物理力学性能，制备复合材料是改性环氧树脂的重要方法之一。海 泡石为含水镁硅酸盐黏土矿物，其化学式为Si12O30Mg8(OH)4(OH2)4·8H2O，具有链状和层状过渡型结构特征。海泡石具有天然一维纳米 结构，呈现无磨蚀性、比表面积大、表面活性高等特点，是高分子聚合物理想的增强剂。自从1987年日本丰田汽车公司首次成功开发出天然蒙脱石改性尼龙纳米 复合材料[1]后，全球纷纷展开了黏土改性聚合物提高其强度、耐热性、韧性、电性能等研究。目前，关于海泡石增强环氧树脂基复合材料的报道较少。本实验选 用硅烷偶联剂改性海泡石，制备有机海泡石/环氧树脂复合材料，研究了有机海泡石对环氧树脂力学性能、耐热性的影响。
    1·实验部分
    1.1原料、试剂及仪器
    海泡石，产自天津蓟县，其化学组成(%) 为：SiO2，22.62；Al2O3，1.69；Fe2O3，0.49；CaO，26.96；K2O，0.47；Na2O，0.18；TiO2，0.07；MgO，13.71；P2O5，0.023；H2O，6.50。 环氧E-51，湖南岳阳，工业级；固化剂T31，酚醛胺类；硅烷偶联剂KH550，南京裕德恒精细化工有限公司。盐酸、95%乙醇、硝酸银，均为分析纯化 学试剂。VECTOR-22傅里叶变换红外光谱仪，德国布鲁克仪器公司；XD-3 X-ray衍射仪，北京谱析通用仪器有限公司；821E型示差扫描量热 仪，MettlerToledo公司；RG3000A万能材料试验机，深圳瑞格尔公司；电热恒温水浴锅，天津市中环实验电炉有限公司；101-3BS电热 恒温鼓风干燥箱，天津市华北实验仪器有限公司。
    1.2海泡石
    表面处理海泡石表面呈亲水性，与环氧树脂基体的界面性质不同，若将其加入到环氧基体中，二者亲和性差，会影响复合材料的力学性能，因此，需要对海泡石表面进行处理。
    1.2.1海泡石的酸活化：将海泡石粉按固液比1∶10（g/mL）加入到1.5mol/L盐酸溶液中，在80℃水浴中慢速搅拌4h后，过滤、洗涤、干燥、研磨，得到酸活化海泡石。
    1.2.2海泡石的有机改性：取一定量硅烷偶联剂，与95%乙醇溶液充分混合搅拌，配制硅烷水解液，加入定量酸活化海泡石，搅拌均匀，在室温下浸泡24 h后，烘干、研磨，过0.074 mm筛。
    1.3复合材料的制备   将有机海泡石与环氧树脂按一定比例混合，超声波处理30min，冷却后加入T31固化剂，搅拌均匀，在60℃烘箱中固化4 h，制得有机海泡石/环氧树脂复合材料，其配方见表1。
             
    1.4表征与性能测试   X射线衍射分析(XRD)，射线波长为0.15406nm，测试条件：Cu靶、Kα射线，扫描速度4(。)/min， 管电压36 kV、管电流20 mA，狭缝DS、RS和SS分别为1。、0.3 mm和1。。热失重分析(TG)，热分析条件：N2气氛，20℃/min 速率等速升温，温度范围为室温~600℃。红外测试（FTIR），将固化试样取少许粉末，与溴化钾压制成片，测其红外谱图。拉伸剪切强度，金属对金属拉伸 剪切强度的测试执行GB/T7124-2008标准，相当于ASTM D1002-92标准。
    2·结果与讨论
    2.1有机海泡石的结构与表征本实验中用硅烷偶
    联剂有机改性海泡石，为了判断偶联剂对海泡石的改性状况，分别对海泡石原样和改性后海泡石进行红外及X射线衍射测试，其结果分别见图1、图2。
             
    从图1可以看出，改性海泡石的红外吸收谱在3600~3680 cm-1处结构羟基水（Mg-OH）和配位水（OH2）的伸缩振动吸收峰、 949~1300 cm-1处Si-O振动、744 cm-1附近的Mg-O伸缩振动及其它指纹区的特征吸收峰与海泡石原样的红外吸收谱基本相同，但是在 3433cm-1处呈现较强吸收带，可归属为Si-OH伸缩振动峰与-NH伸缩振动峰的叠加，且改性后的海泡石在1638 cm-1处出现-CH2弯曲振 动吸收峰。这表明硅烷分子并非简单吸附或覆盖在海泡石表面，而是硅烷水解形成的硅烷醇与海泡石表面的活性羟基作用形成化学键，产生新的能级[2]。
    从图2可以看出，海泡石原样中含有滑石、方解石等杂质，表面改性后，海泡石特征衍射峰强度明显增强，且峰形变得相当尖锐，同时滑石、方解石晶相衍 射峰强度降低，这表明海泡石经表面处理后，其杂质含量减少，纯度提高。根据Bragg衍射方程2dsinθ=nλ（其中d为海泡石晶面间距，θ为入射 角，λ为入射X射线波长，n为衍射级数），可计算出海泡石原样的平均晶面间距为0.94230nm，有机改性后，晶面间距为0.94768 nm。这表明 经改性后，海泡石层间距略微增大，这可能是因为硅烷偶联剂分子吸附或插层进入海泡石，与FTIR分析结果一致。