[发明专利]一种高强度高韧性环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度高韧性环氧树脂复合材料及其制备方法，其中该环氧树脂复合材料，包括环氧树脂基体材料，以及分散于该环氧树脂基体材料内部的改性碳纳米管，所述改性碳纳米管为表面经同时含柔性链与环氧刚性链的嵌段共聚物改性的碳纳米管，所述改性碳纳米管与所述环氧树脂基体材料的质量比为0.05/100～0.5/100。本发明通过对关键的改性碳纳米管添加剂的表面改性物质种类及相应结构，以及改性碳纳米管的填充量等进行改进，选用同时含柔性链与环氧刚性链的嵌段共聚物改性碳纳米管，与现有技术相比能够在低填充量下，对环氧树脂同时进行增强增韧。

技术领域

本发明属于聚合物复合材料领域，涉及一种高强度高韧性环氧树脂复合材料及其制备方法，具体是同时含柔性链与环氧刚性链的嵌段共聚物改性的碳纳米管-环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

环氧树脂具有优异的加工性能、力学性能、电绝缘性、粘接性能和化学稳定性，广泛应用于机械、航空航天、电子电气、光学工程、化工、能源、国防等领域。但固化后的环氧树脂脆性较大、耐疲劳性差等特点，限制了其在诸多高新技术领域的应用。

工业上解决环氧树脂脆性问题的主要方法是添加橡胶粒子进行增韧。添加5～25wt％的橡胶通常可以使环氧树脂的临界应力强度因子提高10～300％(具体见Polymer2011,52,760)，但同时也导致环氧树脂的强度与模量大幅降低、玻璃化温度下降、成本上升。最近出现的环氧树脂/碳纳米管复合材料备受关注。由于碳纳米管巨大的长径比和极高的拉伸强度(理论值达10-60GPa)，相比传统短纤维和无机纳米粒子，其对环氧树脂具有更好的增强增韧效果。然而，由于高表面能和大长径比，碳纳米管易团聚、缠结多、与环氧树脂的相互作用弱，因此其在环氧树脂中难以均匀分散，与环氧树脂基体的界面粘结强度低，最终其复合材料的力学性能无法达到预期效果，不能满足对环氧树脂同时增强、增韧的要求。

现有技术通过在碳纳米管表面引入小分子的氨基、环氧基团或者聚合物来增强碳纳米管在环氧树脂中的分散性并提高碳纳米管与环氧树脂之间的界面作用。但是，由于改性结构单一，得到的材料强度和韧性提高都不大，而且都需要在0.5wt％的填充量以上才有增强增韧效果(具体见Polymer Reviews 2016,56,70)。在碳纳米管与环氧树脂之间构建界面粘接强度适中、又可形变的界面，充分发挥碳纳米管承载载荷能力和桥联裂纹增韧作用，是同时增强、增韧环氧树脂的关键和技术难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，尤其是碳纳米管在环氧树脂中难分散、与基体之间的界面结构难以同时满足既为碳纳米管的形变提供空间，又与基体具有强度适中的界面粘接，难以在低填充量下对环氧树脂同时进行增强增韧的缺点，本发明提供了一种高强度高韧性环氧树脂复合材料及其制备方法，其中通过对关键的改性碳纳米管添加剂的表面改性物质种类及相应结构，以及改性碳纳米管的填充量等进行改进，选用同时含柔性链与环氧刚性链的嵌段共聚物改性碳纳米管，与现有技术相比能够在低填充量下对环氧树脂同时进行增强增韧，嵌段共聚物修饰碳纳米管与环氧树脂两者的质量比为0.05/100～0.5/100，嵌段共聚物修饰碳纳米管这种改性碳纳米管的填充量小于等于0.5wt％，复合得到的嵌段共聚物改性碳纳米管-环氧树脂复合材料的强度与韧性得到大幅提高；嵌段共聚物改性碳纳米管在环氧树脂复合材料中分散均匀，嵌段共聚物改性剂不仅提供了可形变的界面，而且保证了碳纳米管与环氧树脂之间较强的界面粘接强度，能够在超低填充量下对环氧树脂进行有效增强增韧；并且，本发明还通过对制备方法的整体流程工艺设计、以及各个步骤的参数条件(包括反应原料的种类及配比，反应温度及时间等)进行优化，控制精准，步骤简单、条件温和、产率高，而且由于填充量超低，成本低廉。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种环氧树脂复合材料，其特征在于，包括环氧树脂基体材料，以及分散于该环氧树脂基体材料内部的改性碳纳米管，所述改性碳纳米管为表面经同时含柔性链与环氧刚性链的嵌段共聚物改性的碳纳米管，所述改性碳纳米管与所述环氧树脂基体材料的质量比为0.05/100～0.5/100。