二维结构活性液体纳米增强体对环氧复合材料阻隔性能及力学性能影响规律的研究

摘要

蒙脱土(MMT)和氧化石墨烯(GO)因具有独特的二维纳米片层结构，将其作为复合材料的增强体，不仅能够提高复合材料的力学性能，还能提高复合材料的阻隔性能。然而，难以实现蒙脱土和氧化石墨烯在复合材料基体中的均匀分散和良好界面结合一直是其广泛应用的限制因素。本文基于高能超声处理的方法成功制备了含活性有机蒙脱土及氧化石墨烯的二维液体纳米增强体，考察了二维结构纳米增强体在环氧树脂中的分散性和界面结合，系统研究了二维纳米增强体影响环氧复合材料阻隔性能及力学性能的规律。本研究主要内容包括：
　　⑴研究了活性有机蒙脱土及氧化石墨烯二维液体纳米增强体的制备方法并对其结构与分散性等进行了系统表征。在高能超声处理的条件下使丁基缩水甘油醚(BGE)插层进入有机蒙脱土或氧化石墨烯的纳米片层之间并接枝到其表面，可制得含活性有机蒙脱土或氧化石墨烯的液体纳米增强体。制得的液体纳米增强体具有低黏度和高化学活性，其中的纳米片层经过充分剥离，可以均匀分散于环氧树脂基体中，与环氧树脂之间具有良好的界面相容性。
　　⑵研究了活性有机蒙脱土或氧化石墨烯对环氧复合材料阻隔及力学性能的影响规律。由于活性蒙脱土和氧化石墨烯与环氧树脂之间优良的界面结合性，环氧树脂复合材料的拉伸及弯曲性能明显增强。添加3 wt.％活性蒙脱土的环氧复合材料拉伸强度和模量相对于纯环氧树脂分别上升了22.4％和60.9％，弯曲强度和模量则分别上升了11.6％和38.0％;而添加1.5 wt.％活性氧化石墨烯的环氧复合材料拉伸强度和拉伸模量分别上升了45.7和78.3％，弯曲强度和弯曲模量分别上升了21.1和49.6％。同时由于活性蒙脱土和活性氧化石墨烯均匀分散于环氧树脂当中，环氧树脂复合材料的阻隔性能也得到了显著提升。水蒸气阻隔性能测试结果表明，添加3 wt.％活性蒙脱土的环氧树脂复合材料的水蒸气扩散系数相对于纯环氧树脂下降了96.6％，而添加0.5 wt.％活性氧化石墨烯的环氧复合材料的水蒸气扩散系数则下降了86.8％。
　　⑶基于Fick第二定律和Langmuirian理论研究了二维液体纳米增强体提高复合材料阻隔性能的机理。实验结果及理论分析发现，均匀充分分散于环氧树脂中的活性有机蒙脱土或氧化石墨烯可以显著增加水分子的扩散路径，这是由于剥离良好的纳米片层粒子具有极大的长径比，可以迫使水分子通过一个曲折的路径，从而增加水分子的有效扩散长度，使环氧树脂复合材料的阻隔性能得到显著提升。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 环氧树脂基复合材料

1．1．1 环氧树脂简介

1．1．2 纳米增强环氧树脂复合材料简介

1．2 环氧树脂复合材料阻隔性能和力学性能改善的途径

1．2．1 阻隔性能和力学性能改善的途径分析

1．2．2 片状纳米蒙脱土简介

1．2．3 MMT／环氧树脂纳米复合材料简介

1．2．4 氧化石墨烯简介

1．2．5 GO／环氧树脂纳米复合材料简介

1．3 环氧树脂基复合材料气体阻隔性能分析

1．3．1 环氧树脂基复合材料气体扩散机理

1．3．2 环氧树脂基复合材料气体阻隔模型

1．4 本论文研究的内容、创新点及意义

第二章 实验部分

2．1 实验原料及设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器与设备

2．2 实验试样的制备

2．2．1 含BGE-MMT液体纳米增强体的制备

2．2．2 BGE-MMT／环氧树脂纳米复合材料的制备

2．2．3 含BGE-GO液体纳米增强体的制备

2．2．4 BGE-GO／环氧树脂纳米复合材料的制备

2．3 测试与表征

2．3．1 红外光谱(FTIR)表征

2．3．2 X射线光电子能谱仪(XPS)表征

2．3．3 热失重(TG)表征

2．3．4 扫描电镜(SEM)表征

2．3．5 透射电镜(TEM)表征

2．3．6 力学性能测试

2．3．7 动态热机械(DMTA)表征

2．3．8 阻隔性能测试

第三章 结果与讨论

3．1 BGE-MMT的表征与分析

3．1．1 红外分析

3．1．2 X光电子能谱分析

3．1．3 热失重分析

3．2 BGE-MMT／环氧树脂纳米复合材料的表征与分析

3．2．1 超声处理对BGE-MMT在环氧树脂中分散性的影响

3．2．2 BGE-MMT对环氧树脂纳米复合材料力学性能的影响

3．2．3 BGE-MMT对环氧树脂纳米复合材料热性能的影响

3．2．4 BGE-MMT对环氧树脂纳米复合材料阻隔性能的影响

3．3 BGE-GO的表征与分析

3．3．1 红外分析

3．3．2 X光电子能谱分析

3．3．3 热失重分析

3．4 BGE-GO／环氧树脂纳米复合材料的表征与分析

3．4．1 超声处理对BGE-GO在环氧树脂中分散性的影响

3．4．2 BGE-GO对环氧树脂纳米复合材料力学性能的影响

3．4．3 BGE-GO对环氧树脂纳米复合材料阻隔性能的影响

3．5 环氧树脂纳米复合材料阻隔机理分析

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者简介

导师简介