新型环氧树脂基耐磨复合材料的制备及其性能研究

发布时间：2018-03-21 22:36

  本文选题：环氧树脂　切入点：复合材料　出处：《东北石油大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：复合材料是目前发展最迅速的材料之一,它可以通过结合不同组分的优点进而优化材料的性能。尤其是聚合物基复合材料由于其质轻、耐腐蚀、耐高温、易加工成型等优良性能正在代替金属材料成为21世纪最具有发展前景的材料。环氧树脂(EP),作为一种重要的先进工程复合材料的热固性基体,具有硬度大、固体收缩率低、耐化学腐蚀性强以及尺寸稳定性好等优点。然而纯环氧树脂固化后脆性高、传热系数高、耐磨性差,为了使其在工程应用领域有更广阔的发展空间,对其填充改性势在必行。本论文以提高环氧树脂基复合材料的耐磨性能和力学性能为研究目标,围绕复合材料的表界面、组成-微结构-性能之间关系等科学问题,开展了材料改性、表征分析、力学增强、耐磨性增强的应用基础性研究。通过采用三维增强体填充、有机共混以及纤维增强等多种复合改性方法,大幅度提高环氧树脂基复合材料的耐磨性能和力学性能。论文的主要研究内容及结论如下:(1)基于多巴胺功能化碳纳米管(CNT-PDA)增强的聚氨酯(PU)海绵成功制备出具有三维(3D)网络互穿结构的环氧树脂(EP)复合材料。采用透射扫描电镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)分析了多巴胺功能化碳纳米管及改性后的聚氨酯海绵。对比研究了纯EP、PU3D/EP和CNT-PDA/PU3D/EP复合材料的耐热性能、力学性能以及摩擦磨损性能。研究表明,通过多巴胺的氧化自聚合,功能化碳纳米管成功地接枝到海绵骨架表面,使改性后的海绵形成一个连续的三维碳网结构。同时由于聚多巴胺的共价键连接,修饰后的海绵和环氧基体间的界面作用明显增强。因而CNT-PDA/PU3D/EP复合材料表现出更加优异的性能,相对于纯环氧树脂耐热性能有所提高,相对于PU3D/EP复合材料,拉伸强度和冲击强度分别增大了12.7%和8.8%。此外,相对于纯EP和PU3D/EP复合材料,CNT-PDA/PU3D/EP复合材料在不同的载荷和滑行速度下均表现出更低的磨损率和摩擦系数,并且曲线变化趋势更平稳。特别的,在1.6 MPa、0.51 m/s条件下,CNT-PDA/PU3D/EP复合材料的耐磨损性能相对于纯EP和PU3D/EP复合材料分别提高了6.2倍和3倍。(2)通过溶剂蒸发和固化方法制备了不同含量的聚偏氟乙烯(PVDF)和碳纳米管(CNTs)共同填充的环氧树脂复合材料。利用FT-IR和X射线衍射(XRD)分析了PVDF/EP复合材料固化前后的变色机理。同时研究了PVDF和CNTs含量对复合材料力学和摩擦学性能的影响。结果表明当PVDF和CNTs的质量分数分别为30%和1.0%时,复合材料获得最佳的力学性能和摩擦学性能。相对于30%PVDF/EP复合材料,1.0%CNT/30%PVDF/EP复合材料弯曲强度和硬度分别增加了36.2%和10.1%。在载荷为1.0 MPa、速度为0.76 m/s条件下,1.0%CNT/30%PVDF/EP复合材料的磨损率相对于纯EP和30%PVDF/EP复合材料分别降低了92.1%和40%。此外,对这三种材料进行了在不同载荷和速度下的磨损测试,1.0%CNT/30%PVDF/EP复合材料都表现出最优异的摩擦学性能。采用SEM-EDS表征对试样的磨损面和对偶面分析得到,滑行过程中剥落的PVDF和CNTs会在机械力的作用下逐渐形成一层固体转移膜,有效的阻止了试样磨损面与对偶面间的直接磨损,这对1.0%CNT/30%PVDF/EP复合材料减磨耐磨性能的提升具有很大贡献。(3)通过结合棉纤维布的疏水化与环氧复合材料的固化成功制备了纤维增强的环氧树脂基超疏水耐磨复合涂层,其中环氧溶液中包含可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚氨酯(PU)和疏水性二氧化硅(SiO2)纳米粒子。采用FT-IR和SEM分析了改性棉纤维和最终涂层的基团变化和微观形貌。考察了PFA和PU含量分别对涂层疏水性能和摩擦磨损性能的影响,同时进行了粘附力和耐酸碱测试,并对比分析了环氧溶液中各成分对涂层性能的影响。当环氧溶液中含有35 wt.%PFA和25 wt.%PU时,涂层表现出超疏水性能,水接触角为153.5±1°。摩擦学测试结果表明,该纤维布/环氧复合材料超疏水涂层在2.8 MPa、0.51 m/s条件下具有稳定的摩擦系数和优异的耐磨损性能。经过240000圈磨损后,涂层没有明显损坏只是厚度下降了80μm,且水接触角仍可达到142°。同时,涂层表现出良好的粘附力性能和耐酸碱性能。涂层所具备的综合性能源于环氧溶液中各成分的协同作用。PFA不仅有助于降低表面能,而且提高耐酸碱性能,疏水型SiO2纳米粒子有助于协助构建多尺度的粗糙结构,二者结合赋予了涂层的超疏水性能;PU的加入明显提高了涂层的耐磨性能。
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【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ323.5;TB332
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本文编号：1645898