[发明专利]一种聚硅氮烷原位生成二氧化硅增强环氧树脂复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及高分子复合材料领域，具体涉及一种聚硅氮烷原位生成二氧化硅增强环氧树脂复合材料。

背景技术

无机物纳米/聚合物复合材料由于其在相当程度上具有无机材料的刚性、热稳定性和聚合物材料比强度与比模量高、易加工等优点，在复合材料领域占据重要地位。纳米二氧化硅粒子是最早用于制备纳米粒子增强环氧树脂复合材料的无机物之一。

目前制备的复合材料大多数是把提前制备好的二氧化硅颗粒添加到环氧树脂中，而由于纳米二氧化硅在添加和复合材料成型过程中容易团聚，所以会对二氧化硅的增强、增韧效果造成不良影响。而使用硅氧烷或者卤素硅烷为硅源原位生成二氧化硅颗粒的时候则由于生产的纳米粒子和基体相互作用较弱，从而使得纳米粒子容易团聚，影响纳米粒子分散效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚硅氮烷原位生成二氧化硅增强环氧树脂复合材料，利用聚硅氮烷原位生成带有活性氨基的二氧化硅纳米颗粒，由于氨基和环氧树脂基体能发生化学反应形成强相互作用，阻碍了原位生成的纳米粒子相互团聚，所以能有效提高二氧化硅在环氧树脂树脂中的分散性、增强粒子和树脂相互作用，从而更有效增强、增韧环氧树脂的复合材料体系。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种聚硅氮烷原位生成二氧化硅增强环氧树脂复合材料，其通过以下制备方法制得：以质量份数计，将0.1～50份聚硅氮烷溶解到到100份环氧树脂中，通入湿润氮气使聚硅氮烷在0～100℃温度下原位反应生成表面带有活性氨基修饰的二氧化硅纳米颗粒，其中水汽用量和聚硅氮烷用量的化学质量比为0.6～2.0，然后加入0.5～100份的固化剂固化环氧树脂，得到二氧化硅增强环氧树脂复合材料。原位生成的二氧化硅颗粒表面带有活性氨基，该活性氨基能和环氧树脂基体发生化学反应，形成强相互作用。

本申请选用聚硅氮烷为硅源，通过把聚硅氮烷溶解到环氧树脂中形成均一体系，再引入水汽使得聚硅氮烷原位生成活性氨基修饰的纳米二氧化硅颗粒，通过控制反应条件从而控制生成的二氧化硅粒径，然后再固化环氧树脂从而得到纳米二氧化硅增强的环氧树脂复合材料。该复合材料中原位生成的二氧化硅直径较小、粒径可控，且不易团聚，特别适合于需要高光增强的材料领域。本申请选用的聚硅氮烷数均分子量为500～5万。

优选地，所述环氧树脂为环氧树脂单体或者液态环氧预聚物，选自双酚A缩水甘油醚型、双酚A缩水甘油酯型、双酚F缩水甘油醚型、双酚F缩水甘油酯型、羟甲基缩水甘油醚型、间苯二酚缩水甘油醚型和间苯二酚缩水甘油酯型中的一种或几种。

优选地，所述环氧树脂固化剂选自胺类、酸酐类、硫醇类、咪唑类或三氟化硼路易斯酸络合物中的一种或多种。

优选地，所述聚硅氮烷占环氧树脂基体的质量浓度为0.1～50％。环氧树脂基体为环氧树脂、固化剂和促进剂构成的反应体系。

优选地，所述湿润氮气的含水量为1-20g/m³，通入湿润含水的氮气使得聚硅氮烷原位反应生成二氧化硅。

聚硅氮烷原位生成二氧化硅时的反应温度为0-100℃，聚硅氮烷原位反应温度不超过环氧树脂、环氧树脂固化剂(包括固化剂促进剂)的沸点；不会导致环氧树脂、环氧树脂固化剂(包括固化剂促进剂)的物理化学性质出现显著变化。

经聚硅氮烷原位反应生成的二氧化硅直径不超过10纳米，并且在液态树脂固化过程中不会进一步大范围团聚。

优选地，所述将0.1～50份聚硅氮烷溶解到到100份环氧树脂中过程为：将聚硅氮烷直接溶解到到环氧树脂中，或者将聚硅氮烷先溶解到有机溶剂中，再将溶解后的聚硅氮烷溶液和环氧树脂混合均匀，最后将有机溶剂除去。

进一步的，所述有机溶剂选自乙醇、甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、丙酮或乙酸乙酯的一种或多种。

本发明的有益效果在于：本发明利用聚硅氮烷原位生成活性氨基修饰的纳米二氧化硅能和环氧树脂发生化学反应，形成强相互作用，阻碍原位生成的纳米粒子发生团聚，所以能有效提高二氧化硅纳米粒子在环氧树脂中的分散性，增强粒子和环氧树脂的界面作用，从而增强、增韧环氧树脂；并且纳米二氧化硅的存在不会明显影响环氧树脂体系的透光性，所制备的环氧树脂复合材料可适用于需要高光、增强的材料领域。

附图说明

图1为本发明实施例1-3和对比例1环氧树脂复合材料及对比例2环氧树脂固化物的临界应用应力强度因子(K_IC)所采用的测试样品的形状；