環(huán)氧樹脂-胺體系固化行為的分子模擬研究及新型碳雜化增強體設計.pdf

1、高交聯(lián)度環(huán)氧樹脂/胺固化體系因出色的機械性能、耐熱性以及粘合性能，被廣泛地用作碳纖維環(huán)氧樹脂基復合材料的基體樹脂。眾所周知，通過改變反應單體（環(huán)氧樹脂、固化劑）的種類及配比、控制固化工藝條件或者加入第二組分的填料，能夠顯著地調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂體系的物理、化學性質(zhì)，從而滿足不同領域、不同用途的需要。因此，我們必須對聚合物結構與性能的關系有著深刻的認識，以便指導先進復合材料高性能樹脂基體的研發(fā)。目前，環(huán)氧樹脂/胺固化體系仍存在著強度低、脆性大等問

2、題，而現(xiàn)有的微米級、納米級增強體填料并不能完全滿足人們對復合材料性能日益增長的需求。因此，通過對增強體填料進行有針對性的組分雜化、結構設計，使其在基體中高效地分散并形成結合良好的界面，獲得優(yōu)異機械性能的同時賦予其功能特性，最終實現(xiàn)結構、功能一體化。具體工作如下:
　　(1)建立了一套分子模擬與實驗相結合、跨越原子-分子-宏觀尺度的研究方法論。針對兩種常見的三官能度環(huán)氧樹脂TDE-85和AFG-90，利用所提出的方法論，系統(tǒng)、深入地

3、研究了環(huán)氧樹脂單體結構對體系固化動力學及熱機械性能的影響。
　　(2)通過非等溫固化動力學KAS方程和Málek等轉(zhuǎn)換率法分析可知，TDE-85/DDS和AFG-90/DDS體系均符合Sestak-Berggren(SB(m，n))雙參數(shù)自催化模型，且固化反應速率呈現(xiàn)階段性變化。通過模擬環(huán)氧樹脂單體結構中原子的電荷分布、環(huán)氧官能團中C-O鍵的鍵級大小以及固化過程中環(huán)氧官能團單鍵旋轉(zhuǎn)能壘的變化，證明電荷效應和空間位阻效應是影響環(huán)氧樹

4、脂/胺體系固化反應動力學差異的兩大關鍵性因素。
　　(3)通過模擬TDE-85/DDS和AFG-90/DDS兩固化交聯(lián)體系的堆砌模式、橡膠彈性方程計算所得的交聯(lián)點間平均分子質(zhì)量(Mc)、自由體積以及內(nèi)聚能密度的結果，證明物理拓撲結構和化學相互作用是影響環(huán)氧樹脂/胺體系熱機械性能的兩大關鍵性因素。
　　(4)受啟于貽貝的聚多巴胺化學，在羧基化多壁碳納米管(MWCNT-COOH)表面包覆一層聚多巴胺(PDA)，并以此包覆層作為二

5、次反應平臺，利用PDA表面的兒茶酚基團與籠型聚倍半硅氧烷(POSS-NH2)上的氨基基團發(fā)生席夫堿反應，制備了一種碳納米管/籠型聚倍半硅氧烷雜化材料(MWCNT-PDA-POSS)。將質(zhì)量分數(shù)0.5％的該納米雜化材料MWCNT-PDA-POSS分散到環(huán)氧樹脂基體中，獲得了壓縮強度33.3％，壓縮模量20.6％的性能提升，均優(yōu)于加入同等質(zhì)量分數(shù)的單一納米材料。
　　(5)將聚多巴胺包覆的碳納米管(MWCNT-PDA)與氧化石墨烯(G

6、O)分散液按一定配比混合，歷經(jīng)溶膠-凝膠-預凍-冷干-碳化一系列步驟，制備出一種超輕(2.52 mg/cm3)、高度可壓縮、耐疲勞的碳納米管/石墨烯復合氣凝膠(GCPCA)。相比于傳統(tǒng)石墨烯氣凝膠的制備方法，本實驗過程無需加入任何額外的添加劑（交聯(lián)劑、還原劑）且無需水熱（高溫、高壓），反應條件溫和(90℃)，綠色節(jié)能環(huán)保。從所制備復合氣凝膠的孔徑結構來看，由冰晶誘導產(chǎn)生的30-50μm的大孔結構可以為GCPCA提供高度可壓縮性及一定的機