納米蒙脫土對環(huán)氧樹脂阻尼性能的影響

1、納米蒙脫土對環(huán)氧樹脂阻尼性能的影響 1于英華,徐平,陳棕楨遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧阜新(123000E-mail:摘 要 :通過實(shí)驗(yàn)方法研究了納米蒙脫土對環(huán)氧樹脂阻尼性能的影響, 并對影響結(jié)果進(jìn)行了 定性地分析。 結(jié)果表明, 以納米蒙脫土為填料加入環(huán)氧樹脂中, 可在提高環(huán)氧樹脂的力學(xué)性 能的同時(shí)進(jìn)一步提高其阻尼性能。 該研究成果既為進(jìn)一步提高環(huán)氧樹脂的阻尼性能提供了一 種新的途徑, 又為進(jìn)一步提高開孔泡沫鋁的力學(xué)性能和阻尼性能, 拓展其應(yīng)用領(lǐng)域, 提供了 一種合適的填充材料。關(guān)鍵詞:納米蒙脫土;環(huán)氧樹脂;阻尼性能中圖分類號:33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1.引言為既提高泡沫鋁力學(xué)性能, 又提高

2、其阻尼性能, 從而拓展泡沫鋁的應(yīng)用, 需要尋求一種 阻尼高、強(qiáng)度較大且易于填充入泡沫鋁孔洞中的材料 1。環(huán)氧樹脂屬于高分子材料, 具有較高的阻尼性能, 且環(huán)氧樹脂 (EP具有靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 性, 通過其本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、 固化劑的選用, 其固化工藝和固化性能可以在很大范圍內(nèi)進(jìn)行 調(diào)整。 納米技術(shù)及納米材料的發(fā)展又為環(huán)氧樹脂的改性提供了新的思路。 特別是將具有天然 納米層狀結(jié)構(gòu)的蒙脫土 (MMT引入到環(huán)氧樹脂,所得到環(huán)氧樹脂基納米復(fù)合材料與基體樹 脂相比具有更加優(yōu)異的性能 2-4。為此我們考慮,在選用合適的固化劑和固化工藝情況下, 向環(huán)氧樹脂中引入適量的納米蒙脫土, 也應(yīng)該會(huì)提高環(huán)氧樹脂的阻尼性能

3、, 從而制備出我們 所需要的泡沫鋁孔洞填充材料。目前對于環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料的性能研究主要集中在力學(xué)性能和熱性能上。 而對其阻尼性能的研究鮮見報(bào)道 2-4。本文根據(jù)課題組前期對相關(guān)材料的研究經(jīng)驗(yàn) 5和我們 對環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料應(yīng)用的性能要求,制備了環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料, 然后用實(shí)驗(yàn)方法研究了納米蒙脫土對環(huán)氧樹脂阻尼性能的影響, 并對影響結(jié)果進(jìn)行了定性的 分析。2.環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料的制備2.1 材料組分及配比本研究采用的環(huán)氧樹脂為兩種熱固性樹脂:E-44和 E-51, 它們均為雙酚 A 型環(huán)氧樹脂, 在常溫下為液態(tài)線性結(jié)構(gòu), 這時(shí)的環(huán)氧樹脂是沒有強(qiáng)度

4、的, 必須固化后才能發(fā)揮作用。 本實(shí) 驗(yàn)采用 T31作為固化劑。環(huán)氧樹脂是很粘稠的物質(zhì),要在其中加入稀釋劑來降低粘度 6。另 外, 該類樹脂的固化韌性并不高, 要加入增韌劑來提高固化的韌性。 本實(shí)驗(yàn)選稀釋劑為丙酮, 增韌劑為鄰苯二甲酸二丁酯(DBP 。選有機(jī)化納米蒙脫土(MMT 為填料。如上各組分材 料的配比如下:E-44為 30%、 E-51為 70%、 DBP 為 14%、 T31為 25%,納米蒙脫土為環(huán)氧 樹脂總量的 10%。1本課題得到遼寧工程技術(shù)大學(xué)校科學(xué)技術(shù)資助項(xiàng)目(0446的資助。2.2 試件的制作為比較起見,我們以相同結(jié)構(gòu)尺寸的試樣和試驗(yàn)方法,分別測試環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂 /納

5、米蒙脫土復(fù)合材料的阻尼性能。環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料可看作非支撐材料,其阻尼性能可通過測試 金屬板與該材料復(fù)合試樣的損耗因子,然后根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算得出 7。試樣的結(jié)構(gòu)尺寸如圖 1所示。其制作方法如下: 圖 1 環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂蒙脫土試件圖Fig.1 Specimen diagram f of epoxy resin and epoxy resin nanomotmorillonite 在 4mm 厚的鋼板上剪切下 416280××mm 的底板; 制造內(nèi)腔為 816280××mm 的木模; 在木模中鋪設(shè)塑料薄膜,將鋼板插入木模中,參見圖

6、2; 根據(jù)前述的材料配方,用托盤天平先分別稱環(huán)氧樹脂各組分材料,將稱取后的各物 質(zhì)放入器皿中攪拌均勻, 將器皿放入溫度調(diào)在 5070ºC左右的數(shù)顯恒溫水浴鍋中加熱數(shù)分鐘 后,加入適量稀釋劑丙酮,攪拌加熱至流動(dòng)性能最好時(shí),盛入到木模中,待到其具有一定的 成型性時(shí),用平面度較高的鋼板將其與木模壓平抹齊。 圖 2 環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂蒙脫土試件制做 圖 3 環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂蒙脫土試件Fig.2 Manufacturing process of specimen of Fig.3 Specimen of epoxy resinepoxy resin and epoxy resin nanom

7、otmorillonite and epoxy resin nanomotmorillonite 將盛有環(huán)氧樹脂的木模放入托盤中, 再將托盤連同試件一起放入溫度調(diào)定在 70ºC左 右的烘干爐中烘干, 40分鐘后再取出,室溫下固化 1天,然后脫模即制作出環(huán)氧樹脂材料 性能參數(shù)測試試件見圖 3。環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料試件的制作,除在將 E-44、 E-51、 DBP 、 T31和稀釋劑 丙酮, 攪拌加熱至流動(dòng)性能最好時(shí), 再將納米蒙脫土均勻撒入其中, 并繼續(xù)攪拌 12分鐘成 環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料外,其他的制作步驟同環(huán)氧樹脂試件的制作過程。2 材料阻尼性能的測試2.1 測

8、試原理測試原理示意圖如圖 4。采用自由振動(dòng)衰減法,分別測試金屬板和金屬板與環(huán)氧樹脂或環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù) 合材料形成的復(fù)合試樣的第一階振型的共振頻率和阻尼比, 具體做法是:將試件固定在激振 實(shí)驗(yàn)臺(tái)上, 用信號發(fā)生器激勵(lì)電磁換能器, 對試件進(jìn)行非接觸式簡諧激振, 將用加速度傳感 器拾取的振動(dòng)信號, 經(jīng)放大器放大后, 送入二次處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 測出試樣的彎曲 共振第一階振型的共振頻率和阻尼比,然后根據(jù)如下公式(1 (3可計(jì)算出環(huán)氧樹脂和環(huán) 氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料材料的阻尼和彈性模量 7。2=i i f f (1式中, 為復(fù)合試樣損耗因子; i f 為復(fù)合試樣各級模態(tài)的半功率點(diǎn)帶寬

9、, Hz ; i f 為復(fù)合試樣各級模態(tài)的共振頻率, Hz 。=1/211i i f f m m (2 (12211463/1E f f m m E i i += (3 式中, 為所測材料的損耗因子; 21m m m += 復(fù)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量, g ; 1m 為基板質(zhì)量(扣除 夾持部分質(zhì)量, g ; 2m 為所測材料的質(zhì)量, g ; i f 1為基板各階共振頻率, Hz ; E 為所測材料的彈性模量, Pa ; 1E 為鋼板 (基板 的彈性模量, Pa , (對鋼板取 2×1011 Pa ; 為 12/d d , 厚度比:2d 為所測材料的厚度, mm ; 1d 為鋼板(基板的厚度, mm

10、 。 圖 4 阻尼性能測試示意圖Fig.5 Sketch and equipments for testing damping2.2 儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)硬件有:WS-ZHT2型綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、 JZF-1非接觸激振器、 1NV306DM 智能信號采 集處理分析儀、 BZ1110-111型加速度傳感器、 WS-5923波譜功率放大器和 1NV 多功能抗混 濾波放大器。軟件有:北京波譜公司 “Vib , SYS 振動(dòng)信號采集處理和分析系統(tǒng) ” 和北京東方振 動(dòng)與噪聲研究所的 “DASP 智能信號采集和信號分析系統(tǒng) ” 。 除上述測試儀器和設(shè)備以外, 還有需測量試件長度的游標(biāo)卡尺、 測量試件寬度和厚度的 螺旋

11、測微器和測量質(zhì)量的天平等。2.3 測試結(jié)果按上述測試步驟直接測得的參數(shù)列于表 1。將表 1中的數(shù)據(jù)代入公式 (1(3,計(jì)算出的 環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土阻尼參數(shù)及彈性模量如表 2。由表 2可見,向環(huán)氧樹脂中添加如納米蒙脫土后可使其損耗因子提高 1.3倍,彈性模量 提高 1.7倍 .表 1 測試結(jié)果Tab.1 Testing result 表 2 環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂納米蒙脫土性能參數(shù)Tab.2 Property parameters of epoxy resin and epoxy resin nanomotmorillonite參數(shù) 損耗因子1Q 或 彈性模量E /Pa密 度 3 /

12、/cm g 環(huán)氧樹脂 環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土 0.260.332.153.691.15 1.153 結(jié)果分析為了改善粘彈性材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能, 增加粘彈性材料的損耗因子, 調(diào)整其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變 區(qū)溫度, 擴(kuò)展粘彈性材料的溫度使用范圍等, 通常采用的方法是在高分子材料中加入填加劑 或薄片填料、顆粒填料、低密度顆粒等。填加劑或填料的主要作用是: 填加劑或填料增加材料應(yīng)變及損耗能量的能力; 填加劑或填料限制分子運(yùn)動(dòng),增加應(yīng)力和應(yīng)變之間的相位滯后; 可擴(kuò)大阻尼溫度范圍和所需的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)溫度; 片狀和顆粒狀填料具有增強(qiáng)內(nèi)摩擦以損耗能量的作用,顆粒狀填料具有增強(qiáng)效應(yīng), 限制分子長鏈相互轉(zhuǎn)換過程中的運(yùn)動(dòng),從而

13、增強(qiáng)能量的轉(zhuǎn)化,增加了阻尼。我們向環(huán)氧樹脂中加入的納米蒙脫土屬片狀填料, 因此它起到了增加環(huán)氧樹脂阻尼的作 用;既環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料的阻尼優(yōu)于環(huán)氧樹脂的阻尼。4結(jié)論(1以納米蒙脫土為填料加入環(huán)氧樹脂中可在提高提高環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能的同時(shí)進(jìn) 一步提高其環(huán)氧樹脂的阻尼性能, 為進(jìn)一步提高開孔泡沫鋁的性能, 拓展其應(yīng)用領(lǐng)域, 提供 了一種合適的填充材料。(2環(huán)氧樹脂的阻尼性能的提高程度應(yīng)與向其中加入納米蒙脫土量的多少有關(guān),具體 關(guān)系如何有待于進(jìn)一步探討,而且該問題的探討對于優(yōu)化環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土復(fù)合材料的 阻尼性能,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1 于英華 , 梁冰 , 張

14、建華 . 泡沫鋁基高分子復(fù)合材料制備及其性能 J.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) , 2005,24(6:903-9052 顧軍渭 , 張廣成 , 劉鐵民等 . 環(huán)氧樹脂基納米復(fù)合材料制備的研究進(jìn)展 J.粘接 ,2005,26(4:43-453 Beckern O, Varleyb R, Simon G. Morphology, thermal relaxations and mechanical properties of layered silicate nanocomposites based upon high-functionality expoxy resins J.Polymer,2002

15、,43:4365-43734 Osman M A, Mittal V, Morbidelli M, et al. Epoxy- layered silicate nanocomposites and their gas permeation propertiesJ.Macromolecules,2004,37:7250-72575 周曉謙 . 環(huán)氧樹脂 /納米蒙脫土耐磨防腐涂層力學(xué)性能研究 D.阜新 :遼寧工程技術(shù)大學(xué) ,2003, 116 陳平 . 環(huán)氧樹脂與環(huán)氧樹脂涂料 M.北京 :化學(xué)工業(yè)出版社 ,2003.37 國 家 質(zhì) 量 技 術(shù) 監(jiān) 督 局 . 阻 尼 材 料 阻 尼 性 能 測

16、 試 方 法 S.中 華 人 民 共 和 國 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) (GB/T18258-2000 ,2001,7Effect of nanomotmorillonite on epoxy resin damping YU Yinghua, XU Ping, CHEN ZongzhenMechanical Engineering College, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning (123000 AbstractThe effect of nanomotmorillonite on epoxy resin damping is studie

17、d by experiment, and the result of experiment is analyzed qualitatively. It is shown that adding nanomotmorillonite as a kind of filler can enhance the damping as well as mechanical properties of epoxy resin. It provides not only a new kind of method to improve epoxy resin damping but also a suitable material fi