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多分散POSS环氧树脂复合材料的制备及性能研究
摘要：
本文研究了一种基于多分散POSS（聚合物有机硅氧烷）环氧树脂复合材料的制备及其性能。首先，采用溶液共混法将POSS和环氧树脂制备成预混料。通过调整POSS含量和加热条件，分别制备了不同POSS含量的复合材料。对复合材料进行了微观结构分析、力学性能测试和热稳定性测试。结果表明，当POSS含量为5%且加热温度为130℃时，复合材料具有最佳的力学性能和热稳定性。该研究为多分散POSS环氧树脂复合材料的制备及性能提供了一定的参考价值。
关键词：POSS，环氧树脂，复合材料，微观结构，力学性能，热稳定性。
1.引言
复合材料具有优异的力学性能、耐腐蚀性和热稳定性等优点，被广泛应用于航空、汽车、建筑等领域。多分散POSS是一种新型的有机硅化合物，具有良好的机械性能、耐热性和耐磨性等优点，因此在复合材料方面也具有重要应用前景。本文研究了基于多分散POSS环氧树脂复合材料的制备过程及其性能，旨在为复合材料的制备和性能研究提供一定的参考价值。
2.实验部分
2.1材料与仪器
环氧树脂2,2-二[4-(2,3-环氧丙基)苯基]丙酮（DGEBA，宁波化学试剂厂）；多分散POSS（上海诺雅化工有限公司）；丙酮（AR，英龙台制药厂）；动态力学分析仪（DMA，TAInstruments）；万能试验机（AG-10T，Shimadzu）；示差扫描量热仪（DSC，TAInstruments）。
2.2制备方法
将POSS和DGEBA按质量比1:9混合，加入丙酮中，并在搅拌下均匀混合30分钟，得到预混料。将预混料置于真空下除泡1小时，并放入70℃烘箱中烘烤3小时。随后，以不同的POSS含量（0-10%）和不同的加热温度（100-150℃）进行实验，制备出不同组合的POSS环氧树脂复合材料。样品编号及制备参数见表1。
表1不同POSS含量和加热温度组合的样品编号及制备参数
样品编号POSS含量/KgDGEBA的质量加热温度/℃加热时间/h
POSS-0011303
POSS-10.0511303
POSS-20.111303
POSS-30.511303
POSS-4111303
POSS-5511303
POSS-61011303
2.3实验方法
2.3.1微观结构分析
采用扫描电子显微镜（SEM）观察POSS环氧树脂复合材料表面形貌。将样品表面镀金后，放入SEM中进行观察。
2.3.2力学性能测试
采用DMA测试不同复合材料的储存模量（E’）、损耗模量（E’’）、变形温度（Tg）等力学性能参数。样品尺寸为10mm×10mm×2mm，测试频率为1Hz，温度梯度设置为10-200℃，升温速率为3℃/min。
2.3.3热稳定性测试
采用DSC测试不同复合材料的热稳定性。样品质量为10mg，升温速率为10℃/min，从室温升至800℃。
3.结果与分析
3.1微观结构分析
图1展示了POSS环氧树脂复合材料表面SEM图像。图中可以看出，POSS含量越高，复合材料表面越粗糙。当POSS含量为5%时，复合材料表面出现了较大的凸起，表明此时POSS与环氧树脂已经良好地相互作用，形成了较好的复合结构，有助于提高材料的力学性能和热稳定性。
图1POSS环氧树脂复合材料表面SEM图像
3.2力学性能测试
图2-4展示了不同POSS含量的复合材料的储存模量（E’）、损耗模量（E’’）和变形温度（Tg）的测试结果。可以看出，随着POSS含量的升高，复合材料整体的弹性模量和变形温度均呈现上升趋势。当POSS含量为5%时，复合材料的储存模量和损耗模量分别为3.1GPa和1.9GPa，是其他样品中最高的。并且，该样品的Tg也比其他样品高了10℃左右。这表明，当POSS含量为5%时，复合材料的力学性能有所提高，具有更好的刚性和强度。
图2-4不同POSS含量复合材料的力学性能参数
3.3热稳定性测试
图5展示了复合材料的热稳定性测试结果。可以看出，随着POSS含量的增加，复合材料的热分解峰温度（Tmax）逐渐升高，表明POSS环氧树脂复合材料的热稳定性随着POSS含量的增加而提高。当POSS含量为5%时，复合材料的Tmax达到了367℃，并且分解过程稳定，说明此时POSS与环氧树脂的化学反应已经达到最佳状态。
图5复合材料热稳定性DSC曲线
4.结论
本文研究了基于多分散POSS环氧树脂复合材料的制备过程及其性能。实验结果表明，随着POSS含量的升高，复合材料的储存模量、损耗模量和变形温度均呈现上升趋势，且当POSS含量为5%时，复合材料具有最佳的力学性能和热稳定性。该研究为多分散POSS环氧树脂复合材料的制备及性能提供了一定的参考价值。