[发明专利]复合材料缠绕成型用高性能环氧树脂增韧剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种复合材料缠绕成型用高性能环氧树脂增韧剂及其制备方法，增韧剂由空心或实心聚合物纳米粒子和二氧化硅构成，二氧化硅沉积在聚合物纳米粒子的外表面，聚合物纳米粒子由两亲性嵌段聚合物构成，两亲性嵌段聚合物的亲水性链段朝外，疏水性链段朝内；制备方法为：利用大分子自组装技术将所述两亲性嵌段聚合物制成所述聚合物纳米粒子后，将硅的前驱体沉积到所述聚合物纳米粒子上进行原位反应制得复合材料缠绕成型用高性能环氧树脂增韧剂。本发明的方法制备简单，所得杂化纳米粒子与环氧树脂相容性好，增韧效果好。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种复合材料缠绕成型用高性能环氧树脂增韧剂及其制备方法。

背景技术

纤维增强环氧树脂基复合材料因其轻质高强的特性受到越来越多的关注。复合材料缠绕成型一般用于制备旋转体和正曲率的对称结构，制造成本低、制品质量高，机械化程度高，适于轴、管和压力容器等的制备。随着缠绕技术的发展，产品性能要求越来越高，对缠绕成型环氧树脂的要求也越来越高，特别是耐高温环氧树脂的使用越来越多，但是大部分耐高温环氧树脂的抗冲击性能差，在受到冲击时复合材料容易产生不可见损伤。此损伤无法用肉眼观测，且会破坏复合材料制件的完整性，影响力的传递，造成力学性能的下降，使构件在工作过程中易产生变形破坏，造成安全问题，也使得很多耐高温环氧树脂的应用受到了限制。

现有技术常采用添加橡胶、热塑性树脂、树枝状聚合物、嵌段聚合物、纳米填料等增韧剂的方式提高环氧树脂的抗冲击性能，增韧剂主要分为有机增韧剂和无机增韧剂这两类，其中，有机增韧剂与环氧树脂的相容性好，能够达到较好的增韧效果，然而由此带来的刚度损失不容小觑；无机增韧剂多为刚性无机纳米颗粒，如二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆和碳酸钙等，由于其独特的物理机械性能不仅可以达到增韧的效果还可以明显改善因增韧而损失的刚度，然而无机增韧剂在环氧树脂基体中分散性较差从而容易聚集，当无机增韧剂过量或分散不均匀时，会产生团聚现象，进而影响到体系的增韧效果。

为克服有机增韧剂与无机增韧剂单独使用存在的不足，现有技术制备了有机无机杂化纳米粒子。文献1(Improving the fracture toughness ofepoxy with nanosilica-rubber core-shell nanoparticles)将己内酯和和内消旋丙交酯接枝在纳米二氧化硅表面后发现其对环氧树脂的杨氏模量、拉伸强度、断裂韧性均有改善，改性接枝二氧化硅粒子的添加质量分数为2％时，环氧树脂的抗冲击强度提高39.4％；文献2(Fast-curing epoxypoly-mers with silica nanoparticles：properties and rheo-kinetic modelling)比较了不同含量的二氧化硅粒子及杂化的核壳橡胶粒子对快速固化环氧树脂断裂韧性的影响，发现有机无机杂化的核壳橡胶粒子比无机的二氧化硅纳米粒子具有更好的增韧效果，在不同杂化橡胶粒子含量下，环氧树脂的断裂能提高19.8％；文献3(纳米SiO₂/聚氨酯弹性体协同增韧增强环氧树脂的研究)研究了以无机纳米SiO₂粒子及聚氨酯弹性体(PUR)、环氧树脂(EP)制备的纳米SiO₂/PUR/EP三元复合材料的力学性能，结果表明，纳米SiO₂与PUR有协同增韧增强EP的作用，PUR质量分数为20％时，纳米SiO₂/PUR/EP三元复合材料的抗冲击强度比纳米SiO₂/EP提高了11％，比PUR/EP提高7％；

文献4(Hybrid silane-treated glass fabric/epoxy composites:tensileproperties by micromechanical approach)研究了有机无机杂化的纳米二氧化硅粒子对环氧树脂复合材料力学性能的影响，通过实验确定了一种纳米二氧化硅溶胶/硅烷偶联剂浆料配方，并利用该浆料对玻璃纤维织物进行上浆表面改性，改性过后的增强材料与环氧树脂浸润、固化形成复合材料，其弯曲强度、弯曲模量和抗冲击强度分别提高了42％、22％、35％。