科研訓(xùn)練報(bào)告-

1、科研訓(xùn)練報(bào)告書 項(xiàng)目名稱：耐磨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究進(jìn)展 學(xué)生姓名： 王靜儀 學(xué) 號(hào)： 2015212041 專業(yè)班級(jí)： 高分子材料與工程15-3班 指導(dǎo)教師： 徐衛(wèi)兵 2016年 6月 24日項(xiàng)目名稱耐磨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究進(jìn)展項(xiàng) 目負(fù) 責(zé) 人 王靜儀學(xué)院專業(yè)化學(xué)與化工學(xué)院高分子材料與工程年級(jí)學(xué)號(hào)高分子15-3班2015212041聯(lián)系方式手 -mail1181280378指導(dǎo)教師 徐衛(wèi)兵職稱/學(xué)位教授，博士生導(dǎo)師項(xiàng)目摘要：（不超過300字） 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，不同行業(yè)領(lǐng)域?qū)Νh(huán)氧樹脂的耐磨性能提出了越來越高的要求，耐磨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成為科學(xué)研究的重要方向。

2、本文綜述了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料耐磨性能研究的前沿進(jìn)展。項(xiàng)目關(guān)鍵詞：（不超過5個(gè)，用分號(hào)隔開）環(huán)氧樹脂；耐磨性能；改性；復(fù)合材料項(xiàng)目正文：（綜述研究現(xiàn)狀及進(jìn)展、比較各研究方法或工藝路線的優(yōu)劣、提出研究展望等。附主要參考文獻(xiàn)目錄。）1 前言環(huán)氧樹脂是一種各項(xiàng)性能優(yōu)異的熱固性樹脂，因其具有良好的黏結(jié)性、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高低溫性、收縮率低、易加工成型和成本低廉等特性，作為復(fù)合材料的基體、涂料、電子封裝、膠黏劑等而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、土木建筑及化工等領(lǐng)域。然而，由于其固化后呈三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，交聯(lián)密度大，內(nèi)聚力高，使其固化產(chǎn)物變形能力差，往往存在脆性大、內(nèi)應(yīng)力較大、易開裂、沖擊強(qiáng)度低等不足，

3、用其制備的耐磨涂料往往無法滿足性能上的要求。如何才能改善環(huán)氧樹脂基體的韌性，進(jìn)一步提高耐磨涂料的耐磨性能？國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究工作。經(jīng)研究可知，環(huán)氧樹脂通常需要與其他填料復(fù)合才能獲得良好的減摩耐磨效果。本文針對環(huán)氧樹脂在耐磨性方面的各種改性方法、原理及應(yīng)用進(jìn)行了比較及闡述。二各種改性方法、原理及比較1. 無機(jī)固體潤滑材料填充通過向環(huán)氧樹脂中填充無機(jī)固體潤滑材料如石墨等以提高其耐磨性是一種較為通用的方法。梁文軍等3為了考查石墨對環(huán)氧樹脂涂層磨蝕性能的影響，研究了石墨含量分別為0、2%和8%的環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的摩擦磨損性能和腐蝕性能。他們發(fā)現(xiàn)，石墨的加入提高了環(huán)氧樹脂的物理力學(xué)性能，可以

4、在一定程度上阻止環(huán)氧樹脂缺陷處裂紋的擴(kuò)展，提高環(huán)氧樹脂的耐磨損性能。具有潤滑性的石墨能夠有效減小摩擦系數(shù)，當(dāng)石墨含量增大時(shí)，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨之減小。在模擬井下腐蝕溶液介質(zhì)（pH=2.97）中進(jìn)行電化學(xué)性能測試結(jié)果表明，添加石墨有助于提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的耐腐蝕性能和防水性能。 2.添加納米顆粒 納米材料具有表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)等特性，是一類新興的功能材料。利用納米材料表面積大、表面能高的特點(diǎn)，填充改性環(huán)氧樹脂會(huì)產(chǎn)生極好的界面效應(yīng)。界面效應(yīng)能增強(qiáng)兩相間的結(jié)合力，提高環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度和韌性，改善環(huán)氧樹脂的摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能。2.1無機(jī)納米增強(qiáng)體 研究表明，許多納米無機(jī)增強(qiáng)體，如納米Si

5、3N4、Zr02、Ti02、Si02以及多壁碳納米管等，可以在很大程度上改善環(huán)氧樹脂的耐磨損性能。無機(jī)納米粒子對環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)增韌作用可歸結(jié)為3個(gè)方面：無機(jī)納米粒子在變形中產(chǎn)生應(yīng)力集中，引發(fā)粒子周圍的樹脂基體屈服，從而吸收大量變形功，阻礙和鈍化銀紋在樹脂中的擴(kuò)展，起到防止破壞性開裂的作用；剛性無機(jī)納米粒子在拉應(yīng)力作用下的仲長變形很小，導(dǎo)致基體和無機(jī)粒子的界面部分脫粘而產(chǎn)生空穴，進(jìn)而使裂紋鈍化，阻礙裂紋擴(kuò)展成破壞性裂縫而產(chǎn)生增韌作用；無機(jī)納米粒子表面存在大量的不飽和殘鍵及活性基團(tuán)，表面活性高，能夠與高分子鏈發(fā)生物理或化學(xué)交聯(lián)，而且經(jīng)有機(jī)改性的無機(jī)納米粒子的化學(xué)交聯(lián)作用更為顯著，因此導(dǎo)致材料在沖擊

6、作用下產(chǎn)生更多微裂紋，吸收更多沖擊能5。2.2有機(jī)納米增強(qiáng)體一些有機(jī)納米顆粒也已被引入到聚合物中，以增強(qiáng)聚合物的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)口，可有效提高聚合物的力學(xué)性能，顯示出了很大的應(yīng)用潛力。例如，納米橡膠顆?？梢蕴岣邿崴苄詷渲哪Σ翆W(xué)性能和熱固性樹脂的韌性。齊澤昊等7運(yùn)用全硫化納米羧基丁腈橡膠（VP-501）顆粒對環(huán)氧樹脂（E51）進(jìn)行了增韌改性處理，制備了納米橡膠顆粒增韌環(huán)氧樹脂，研究了其摩擦學(xué)性能和磨損機(jī)理。結(jié)果表明：添加納米橡膠顆粒，可使環(huán)氧樹脂的斷裂韌性普遍提高，并且隨納米橡膠顆粒含量的增加而增大。納米橡膠顆粒含量為3、6、9 phr時(shí)，其增韌環(huán)氧樹脂的斷裂韌性較純環(huán)氧樹脂分別提高了11.5%、

7、14.5%和21.1%。純環(huán)氧樹脂的耐磨性能較差，其在低、重載摩擦工況下的磨損機(jī)理均表現(xiàn)為微觀脆性斷裂磨損。添加適量的納米橡膠顆粒（6 phr），可顯著提高環(huán)氧樹脂的耐磨損性能，比純環(huán)氧樹脂提高1.3-9倍，其磨損機(jī)理主要是黏著磨損。3. 纖維增強(qiáng) 將粘結(jié)力、機(jī)械、耐腐蝕和耐磨性優(yōu)良的環(huán)氧樹脂與高強(qiáng)度的纖維復(fù)合制成的板、管、棒、型材及各種成型品稱之為纖維增強(qiáng)料（FRP）。目前向環(huán)氧樹脂中添加的纖維類增強(qiáng)材料主要有炭纖維、玻璃纖維、有機(jī)纖維等。纖維類填料具有較高的強(qiáng)度和剛度，常用來增強(qiáng)環(huán)氧樹脂以獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。隨著環(huán)氧樹脂應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，利用纖維類填料來改善環(huán)氧樹脂摩擦磨損性能的研究也越來越

8、引起重視。通過向環(huán)氧樹脂中添加炭纖維可以得到一種用于骨折內(nèi)固定的三維編織炭纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。黃麗堅(jiān)等10制備了碳纖維增強(qiáng)改性的環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，考察了不同填料的含量與協(xié)同作用對環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層摩擦學(xué)性能的影響，并初步探討了復(fù)合涂層的磨損機(jī)理。他們發(fā)現(xiàn)，用碳纖維填充環(huán)氧樹脂，能夠發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，顯著降低EP涂層的摩擦系數(shù)和磨損率，且隨著碳纖維含量的增大，EP涂層的摩擦系數(shù)和磨損率逐漸降低。碳纖維起到了力學(xué)支撐、網(wǎng)狀束縛基體，阻止磨屑及納米粒子流失的作用。4.金屬離子注入法離子注入技術(shù)可有效改善金屬材料的耐磨和耐蝕等表面性能，還可以改善陶瓷材料的表面力學(xué)性能。近年來，人們對離子注入改善聚合物材料表面

9、的導(dǎo)電性及生物相容性進(jìn)行了不少探索性研究，且已發(fā)現(xiàn)離子注入處理可提高聚合物材料表面的硬度和耐磨性。傘金福等12以3種劑量對環(huán)氧樹脂塊狀試樣進(jìn)行Al、Ti及Fe等金屬離子注入，采用MM-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了注入改性層的摩擦學(xué)性能，采用傅立葉變換紅外光譜儀分析離子注入前后環(huán)氧樹脂表面基團(tuán)及其鍵合方式，初步探討了其影響機(jī)制。結(jié)果表明：Al、Ti、Fe三種金屬離子注入處理后環(huán)氧樹脂的耐磨性均顯著提高，摩擦系數(shù)降低；其中Al離子注入處理的摩擦學(xué)表面改性效果最好；對應(yīng)于環(huán)氧樹脂最小磨損體積損失的不同金屬離子的注入劑量亦不同。紅外光譜分析結(jié)果表明：經(jīng)Al離子注入后，環(huán)氧樹脂表面保持微量的吸附水；同時(shí)

10、其表面發(fā)生了脫氫及氧化等作用，形成了新的化學(xué)基團(tuán)，使得環(huán)氧樹脂的立體網(wǎng)狀交聯(lián)程度得以提高，其減摩耐磨性能得以明顯改善。 5.高分子材料的填充5.1端羧基丁腈橡膠人們常加入橡膠以增加環(huán)氧樹脂的韌性，其中端羧基丁腈橡膠在工業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。陳青等13以2-乙基-4-甲基咪唑作為固化劑，運(yùn)用紅外光譜對端羧基丁腈橡膠（CTBN）增韌改性環(huán)氧樹脂（EP）的預(yù)聚反應(yīng)和固化反應(yīng)進(jìn)行分析。他們發(fā)現(xiàn)端羧基丁腈橡膠改性環(huán)氧樹脂在改善樹脂脆性的同時(shí)，并沒有顯著地降低樹脂的力學(xué)性能和耐熱性。端羧基丁腈橡膠作為反應(yīng)性的橡膠對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌改性時(shí)，因兩者的溶解度參數(shù)相近，加熱后能完全均相溶解。采用2-乙基-4-甲基咪唑

11、作為固化劑，固化過程中離析出橡膠相，當(dāng)材料破壞時(shí)分散相粒子使裂紋的擴(kuò)展分歧、轉(zhuǎn)向從而消耗能量是其增韌的關(guān)鍵。5.2聚氨酯 聚氨酯是一類具有高彈性的高分子材料，利用聚氨酯對環(huán)氧樹脂改性是提高環(huán)氧樹脂基體耐磨性的有效途徑。張微、龍軍峰14介紹了聚氨酯改性環(huán)氧樹脂及其耐磨涂料的制備工藝，并通過紅外譜圖分析對其改性原理和涂料的固化進(jìn)行了詳細(xì)研究。他們發(fā)現(xiàn)由于聚氨酯改性環(huán)氧樹脂體系內(nèi)部形成了“海島結(jié)構(gòu)”，即在剛性的環(huán)氧體型構(gòu)架中分布聚氨酯彈性基團(tuán)，從而改善了體系的韌性，顯著地提高了改性環(huán)氧涂料的耐磨性能。5.3聚脲聚脲是一種具有優(yōu)異理化性能的彈性體材料，其中的端氨基含量在80%以上。以聚脲為增韌劑，具有

12、良好的增韌效果，同時(shí)能避免固化產(chǎn)物強(qiáng)度和耐熱性的下降。陳永繼、胡海霞15利用MM-200型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，研究了環(huán)氧樹脂/聚脲復(fù)合材料在98N載荷下干摩擦條件下的摩擦磨損性能，利用掃描電子顯微鏡和傅立葉變換紅外光譜儀對環(huán)氧樹脂磨損后的表面形貌、化學(xué)鍵和官能團(tuán)進(jìn)行了觀察與分析。他們發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂/聚脲復(fù)合材料中聚脲顆粒的分布比較均勻，且形狀比較規(guī)則，磨損表面部分粒子發(fā)生了塑性變形，聚脲顆粒的加入，提高了復(fù)合材料的耐磨性。 6.混雜填充改性 多種填料混雜復(fù)合填充利用了不同填料間的性能互補(bǔ)，以及多種填料間的協(xié)同效應(yīng)，能夠改善單一填料填充改性的性能缺陷，使環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的綜合性能更為優(yōu)異。 6.1無機(jī)

13、填料與無機(jī)填料混雜填充 孫金亮等17采用氧化石墨和二硫化鉬二元固體潤滑劑，利用其協(xié)同效應(yīng)來改善環(huán)氧樹脂的性能，并使用鉬酸酯偶聯(lián)劑對固體潤滑劑進(jìn)行表面改性，進(jìn)一步提高環(huán)氧樹脂固體潤滑涂層的抗沖擊、附著力和減摩耐磨性能。他們得出：采用4wt.%有機(jī)鉬酸酯偶聯(lián)劑處理總量一定（占涂層質(zhì)量的30%）、二元配比不同的MoS2與氧化石墨二元固體潤滑劑，當(dāng)MoS2與氧化石墨的配比為3：2時(shí)，氧化石墨與MoS2在環(huán)氧樹脂中達(dá)到高分散，涂層試樣抗沖擊性能和附著力最佳，同時(shí)MoS2與氧化石墨協(xié)同作用比較明顯，減摩性能也較優(yōu)，復(fù)合材料具有最佳的綜合性能。 6.2納米填料與纖維填料混雜填充 汪加勝、唐舫成18研究利用硬

14、度較大的納米氮化硅粒子和具有優(yōu)異自潤滑和導(dǎo)熱性能的短碳纖維進(jìn)行混雜填充，希望在較低填料用量情況下，通過發(fā)揮混雜效應(yīng)，獲得具有良好減摩耐磨環(huán)氧基復(fù)合材料。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)同時(shí)在環(huán)氧樹脂中加入納米氮化硅粒子和短碳纖維時(shí)，可以獲得與加入單一填料所沒有的摩擦磨損性能，加入體積含最為15 vol%的短碳纖維后，其摩擦系數(shù)和比磨損率在1 vol%納米Si3N4粒子處出現(xiàn)最小值，這說明同時(shí)加入納米氮化硅粒子和短碳纖維時(shí)，存在它們之間的協(xié)調(diào)作用，可以獲得最佳的摩擦磨損性能。值得注意的是，同時(shí)加入兩種組分的填料也有可能產(chǎn)生互相抑制的作用，當(dāng)加入過量的填料后，納米氮化硅粒子/短碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦磨損性能低于

15、單種填料改性的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦磨損性能，但是仍然優(yōu)于純環(huán)氧樹脂的摩擦磨損性能。納米氮化硅粒子/短碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的磨損機(jī)理主要是粘著磨損和磨粒磨損，摩擦過程中復(fù)合材料表面的基體和填料不斷脫落，形成的轉(zhuǎn)移膜也因而遭到不斷的破壞。6.3有機(jī)填料與其它填料混雜填充 丁軍等19采用丁二烯合成出端異氰酸酯基聚丁二烯液體橡膠，再將其與環(huán)氧樹脂E51反應(yīng)制備端異氰酸酯基液體聚丁二烯橡膠/環(huán)氧樹脂聚合物（ETPB），同時(shí)在其中進(jìn)一步填充5%和10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的納米A12O3以提高環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的耐磨性能，并探討其在干滑動(dòng)條件下的摩擦磨損性能。他們發(fā)現(xiàn)通過端異氰酸酯基聚丁二烯橡膠改性環(huán)氧樹脂E

16、51可以有效提高環(huán)氧樹脂涂層的摩擦磨損性能，填充納米A12O3，可有效改善ETPB涂層的耐磨性，其磨損機(jī)理為脆性斷裂和剝層磨損。3 結(jié)語與展望 對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，以得到具有耐磨性的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料目前已取得一定的成果，環(huán)氧樹脂的改性研究使得對其改性機(jī)理的研究日益深入，并為尋找新的改性方法提供了理論依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著科研工作者的不斷努力，對環(huán)氧樹脂的改性研究也將日新月異，相信耐磨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料未來將會(huì)被更多更廣地應(yīng)用到人們的日常生活中。參考文獻(xiàn)1牛永平，王勇峰，汪小偉，張軍凱，張永振，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究，工程塑料應(yīng)用，2015，43（6）：117-121.2丁雷

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