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剥离型环氧树脂/纳米复合材料相结构

张晓虹，郭宁，高俊国

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨150040)

摘要：为改进环氧树脂固有的一些缺陷和不足，提出了利用纳米复合材料的特殊性改性环氧
树脂的一新的研究途径。在选取经十六烷基季铵盐有机化表面修饰的蒙脱土对双酚A型环
氧树脂进行改性时分别采用溶液插层法与熔融插层法/蒙制备了不同蒙脱土含量的环氧树脂
脱土复合材料X射线衍射法测；利用蒙脱土的层间试了剥离距；用扫前后描电子显微镜
(SEM)观察了试样的冲击断口形貌，研究了该复合材料的两相结构；采用热重法(TGA)测定
了试样的热分解温度，并对其热稳定性进行了对比。结果表明，无论是溶液插层法还是熔
融插层法，均能制/蒙脱土纳米复合材得剥离型环氧树脂料。但是，在机械分散的作用下，
纳米粒子易发生团聚，使复合材料中的无机相无法均匀的分散。热重分析结果发现，复合
材料的热分解温度并没有随着蒙脱土含量的增加而增加，而是表现出更为复杂的发展趋势。

关键词：环氧树脂；蒙脱土；PLS纳米复合材料；插层；剥离；相结构；热稳定性

中图分类号：TQ204文献标志码：A文章编号：1003-6520(2009)02-0282-08

0引言

在经济生产活动中，无论在一(Epoxy，般的技术领域，或是在尖端的技术领域，环氧树脂
EP)以涂料、浇铸料、模压料、胶粘剂、层压材料、注射成型材料以及复合材料的形式，直
接或间接地得以应用。例如：飞机、航天器中的增强复合材料、大规模集成电路的封装材料、
大型发电机的绝缘材料、钢铁和木材的防腐涂层材料、机械加工土木建筑用胶黏剂，甚至建
筑装饰材料、食品罐头内壁涂层和金属抗腐蚀电泳涂装等都大量使用环氧树脂。

随着我国工业和经济建设的发展，环氧树脂作为一种重要的热固性树脂越来越受到重视，但
随着人们对其应用环境及条件不断提出的新的要求，普通环氧树脂材料的现有性能已严重
制约了其在更广阔领域的应用，如韧性和耐热性较差等。目前对环氧树脂的开发和应用主要
集中于提高其耐热性、电性能及抗冲击性，但效果还不是太显著，且存在着较大分歧[1-4]，
急需进一步的研究和开发。本课题的研究主要是利用蒙脱土对环氧树脂进行改性，以期能够
提高环氧树脂的综合使用性能。

在聚合物纳米复合材料领域中，无论是基础研究或工业应用，聚合物/层状硅酸盐
(Polymer/Lay-eredSilicate，PLS)纳米复合材料都表现的十分活跃。其中最有应用价值的层
状硅酸盐是蒙脱土(Montmorillonite，MMT)，是属于膨润土一类的天然粘土。PLS纳米复合
材料以经济实用的制备工艺、表现不俗的物理机械性能及良好的加工性能而见长。

目前，用于制备PLS纳米复合材料的层状硅酸盐粘土主要是蒙脱土。未经表面有机化处理
的蒙脱土具有强(Hydrophilic)，与聚合物的相容性差，烈的亲水性/粘土纳米故制备聚合物

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复合材料时必须先对粘土进行有表面机化处理。有机化处理的基本原理是：有机季铵盐阳离
子与蒙脱土层间可交换阳离子发生离子交换反应，使有机基团覆盖于蒙脱土矿表面，改变
其表面性能，由原来的亲水性变为亲油性。有机化处理后的蒙脱土与很多有机溶剂及高分子
有良好的亲和性。研究表明[5-7]，层状硅酸盐的有机化处理是制备聚合物/粘土纳米复合材
料必不可少的关键步骤。

1试验部分

复合材料的相间界面结构是决定复合材料宏观性能的关键因素。就本课题所研究的PLS型
EP/MMT纳米复合材料而言，EP树脂基体中分散有一定量的层状无机纳米粒子。因纳米粒
子独有的特性，如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、和宏观量子隧道效应等，致使有
机/无机两相在纳米尺寸范围内复合，两相之间界面积非常大，界面间具有很强的相互作用；
此时两相间的界面不同于普通有机/无机复合，清晰尖锐的相界面变得模糊。这种界面结构
上发生的变化，对复合材料的宏观性能，尤其是力学性能和介电性能产生明显的影响。

EP/MMT纳米复合材料中有机/无机两相间相界面的形成是以MMT自身的剥离为前提。
MMT自身具有纳米结构，其单位晶胞中有一个厚度约为1nm的片层，片层长宽约为100nm。
这样的片层状纳米结构剥离开以后，形成在空间上的一维纳米片层，通过机械作用等分散手
段使这些纳米片层分散到聚合物基体中以后，与基体树脂复合形成良好的接触界面，形成
真正意义上的纳米复合，这样具有纳米界面的复合材料也才真正称得上纳米材料。故复合材
料相结构的表征研究，将主要围绕MMT的剥离与纳米界面的生成而展开。

本文中，分别利用溶液插层法与