科研训练报告-讲述

1、科研训练报告书 项目名称：耐磨环氧树脂复合材料的研究进展 学生姓名： 王静仪 学 号： 2015212041 专业班级： 高分子材料与工程15-3班 指导教师： 徐卫兵 2016年 6月 24日项目名称耐磨环氧树脂复合材料的研究进展项 目负 责 人 王静仪学院专业化学与化工学院高分子材料与工程年级学号高分子15-3班2015212041联系方式手 -mail1181280378指导教师 徐卫兵职称/学位教授，博士生导师项目摘要：（不超过300字） 随着现代工业的迅速发展，不同行业领域对环氧树脂的耐磨性能提出了越来越高的要求，耐磨环氧树脂复合材料成为科学研究的重要方向。

2、本文综述了环氧树脂复合材料耐磨性能研究的前沿进展。项目关键词：（不超过5个，用分号隔开）环氧树脂；耐磨性能；改性；复合材料项目正文：（综述研究现状及进展、比较各研究方法或工艺路线的优劣、提出研究展望等。附主要参考文献目录。）1 前言环氧树脂是一种各项性能优异的热固性树脂，因其具有良好的黏结性、机械强度、化学稳定性、耐高低温性、收缩率低、易加工成型和成本低廉等特性，作为复合材料的基体、涂料、电子封装、胶黏剂等而被广泛应用于航空航天、汽车、土木建筑及化工等领域。然而，由于其固化后呈三维交联网络结构，交联密度大，内聚力高，使其固化产物变形能力差，往往存在脆性大、内应力较大、易开裂、冲击强度低等不足，

3、用其制备的耐磨涂料往往无法满足性能上的要求。如何才能改善环氧树脂基体的韧性，进一步提高耐磨涂料的耐磨性能？国内外学者对此进行了大量的研究工作。经研究可知，环氧树脂通常需要与其他填料复合才能获得良好的减摩耐磨效果。本文针对环氧树脂在耐磨性方面的各种改性方法、原理及应用进行了比较及阐述。二各种改性方法、原理及比较1. 无机固体润滑材料填充通过向环氧树脂中填充无机固体润滑材料如石墨等以提高其耐磨性是一种较为通用的方法。梁文军等3为了考查石墨对环氧树脂涂层磨蚀性能的影响，研究了石墨含量分别为0、2%和8%的环氧树脂复合涂层的摩擦磨损性能和腐蚀性能。他们发现，石墨的加入提高了环氧树脂的物理力学性能，可以

4、在一定程度上阻止环氧树脂缺陷处裂纹的扩展，提高环氧树脂的耐磨损性能。具有润滑性的石墨能够有效减小摩擦系数，当石墨含量增大时，环氧树脂复合材料的摩擦系数随之减小。在模拟井下腐蚀溶液介质（pH=2.97）中进行电化学性能测试结果表明，添加石墨有助于提高环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能和防水性能。 2.添加纳米颗粒 纳米材料具有表面效应和小尺寸效应等特性，是一类新兴的功能材料。利用纳米材料表面积大、表面能高的特点，填充改性环氧树脂会产生极好的界面效应。界面效应能增强两相间的结合力，提高环氧树脂的强度和韧性，改善环氧树脂的摩擦学性能和力学性能。2.1无机纳米增强体 研究表明，许多纳米无机增强体，如纳米Si

5、3N4、Zr02、Ti02、Si02以及多壁碳纳米管等，可以在很大程度上改善环氧树脂的耐磨损性能。无机纳米粒子对环氧树脂的增强增韧作用可归结为3个方面：无机纳米粒子在变形中产生应力集中，引发粒子周围的树脂基体屈服，从而吸收大量变形功，阻碍和钝化银纹在树脂中的扩展，起到防止破坏性开裂的作用；刚性无机纳米粒子在拉应力作用下的仲长变形很小，导致基体和无机粒子的界面部分脱粘而产生空穴，进而使裂纹钝化，阻碍裂纹扩展成破坏性裂缝而产生增韧作用；无机纳米粒子表面存在大量的不饱和残键及活性基团，表面活性高，能够与高分子链发生物理或化学交联，而且经有机改性的无机纳米粒子的化学交联作用更为显著，因此导致材料在冲击

6、作用下产生更多微裂纹，吸收更多冲击能5。2.2有机纳米增强体一些有机纳米颗粒也已被引入到聚合物中，以增强聚合物的三维网络结构口，可有效提高聚合物的力学性能，显示出了很大的应用潜力。例如，纳米橡胶颗粒可以提高热塑性树脂的摩擦学性能和热固性树脂的韧性。齐泽昊等7运用全硫化纳米羧基丁腈橡胶（VP-501）颗粒对环氧树脂（E51）进行了增韧改性处理，制备了纳米橡胶颗粒增韧环氧树脂，研究了其摩擦学性能和磨损机理。结果表明：添加纳米橡胶颗粒，可使环氧树脂的断裂韧性普遍提高，并且随纳米橡胶颗粒含量的增加而增大。纳米橡胶颗粒含量为3、6、9 phr时，其增韧环氧树脂的断裂韧性较纯环氧树脂分别提高了11.5%、

7、14.5%和21.1%。纯环氧树脂的耐磨性能较差，其在低、重载摩擦工况下的磨损机理均表现为微观脆性断裂磨损。添加适量的纳米橡胶颗粒（6 phr），可显著提高环氧树脂的耐磨损性能，比纯环氧树脂提高1.3-9倍，其磨损机理主要是黏着磨损。3. 纤维增强 将粘结力、机械、耐腐蚀和耐磨性优良的环氧树脂与高强度的纤维复合制成的板、管、棒、型材及各种成型品称之为纤维增强料（FRP）。目前向环氧树脂中添加的纤维类增强材料主要有炭纤维、玻璃纤维、有机纤维等。纤维类填料具有较高的强度和刚度，常用来增强环氧树脂以获得优良的力学性能。随着环氧树脂应用领域的扩展，利用纤维类填料来改善环氧树脂摩擦磨损性能的研究也越来越

8、引起重视。通过向环氧树脂中添加炭纤维可以得到一种用于骨折内固定的三维编织炭纤维增强环氧树脂。黄丽坚等10制备了碳纤维增强改性的环氧树脂复合涂层，考察了不同填料的含量与协同作用对环氧树脂复合涂层摩擦学性能的影响，并初步探讨了复合涂层的磨损机理。他们发现，用碳纤维填充环氧树脂，能够发挥协同效应，显著降低EP涂层的摩擦系数和磨损率，且随着碳纤维含量的增大，EP涂层的摩擦系数和磨损率逐渐降低。碳纤维起到了力学支撑、网状束缚基体，阻止磨屑及纳米粒子流失的作用。4.金属离子注入法离子注入技术可有效改善金属材料的耐磨和耐蚀等表面性能，还可以改善陶瓷材料的表面力学性能。近年来，人们对离子注入改善聚合物材料表面

9、的导电性及生物相容性进行了不少探索性研究，且已发现离子注入处理可提高聚合物材料表面的硬度和耐磨性。伞金福等12以3种剂量对环氧树脂块状试样进行Al、Ti及Fe等金属离子注入，采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了注入改性层的摩擦学性能，采用傅立叶变换红外光谱仪分析离子注入前后环氧树脂表面基团及其键合方式，初步探讨了其影响机制。结果表明：Al、Ti、Fe三种金属离子注入处理后环氧树脂的耐磨性均显著提高，摩擦系数降低；其中Al离子注入处理的摩擦学表面改性效果最好；对应于环氧树脂最小磨损体积损失的不同金属离子的注入剂量亦不同。红外光谱分析结果表明：经Al离子注入后，环氧树脂表面保持微量的吸附水；同时

10、其表面发生了脱氢及氧化等作用，形成了新的化学基团，使得环氧树脂的立体网状交联程度得以提高，其减摩耐磨性能得以明显改善。 5.高分子材料的填充5.1端羧基丁腈橡胶人们常加入橡胶以增加环氧树脂的韧性，其中端羧基丁腈橡胶在工业已得到广泛应用。陈青等13以2-乙基-4-甲基咪唑作为固化剂，运用红外光谱对端羧基丁腈橡胶（CTBN）增韧改性环氧树脂（EP）的预聚反应和固化反应进行分析。他们发现端羧基丁腈橡胶改性环氧树脂在改善树脂脆性的同时，并没有显著地降低树脂的力学性能和耐热性。端羧基丁腈橡胶作为反应性的橡胶对环氧树脂进行增韧改性时，因两者的溶解度参数相近，加热后能完全均相溶解。采用2-乙基-4-甲基咪唑

11、作为固化剂，固化过程中离析出橡胶相，当材料破坏时分散相粒子使裂纹的扩展分歧、转向从而消耗能量是其增韧的关键。5.2聚氨酯 聚氨酯是一类具有高弹性的高分子材料，利用聚氨酯对环氧树脂改性是提高环氧树脂基体耐磨性的有效途径。张微、龙军峰14介绍了聚氨酯改性环氧树脂及其耐磨涂料的制备工艺，并通过红外谱图分析对其改性原理和涂料的固化进行了详细研究。他们发现由于聚氨酯改性环氧树脂体系内部形成了“海岛结构”，即在刚性的环氧体型构架中分布聚氨酯弹性基团，从而改善了体系的韧性，显著地提高了改性环氧涂料的耐磨性能。5.3聚脲聚脲是一种具有优异理化性能的弹性体材料，其中的端氨基含量在80%以上。以聚脲为增韧剂，具有

12、良好的增韧效果，同时能避免固化产物强度和耐热性的下降。陈永继、胡海霞15利用MM-200型摩擦磨损实验机，研究了环氧树脂/聚脲复合材料在98N载荷下干摩擦条件下的摩擦磨损性能，利用扫描电子显微镜和傅立叶变换红外光谱仪对环氧树脂磨损后的表面形貌、化学键和官能团进行了观察与分析。他们发现环氧树脂/聚脲复合材料中聚脲颗粒的分布比较均匀，且形状比较规则，磨损表面部分粒子发生了塑性变形，聚脲颗粒的加入，提高了复合材料的耐磨性。 6.混杂填充改性 多种填料混杂复合填充利用了不同填料间的性能互补，以及多种填料间的协同效应，能够改善单一填料填充改性的性能缺陷，使环氧树脂复合材料的综合性能更为优异。 6.1无机

13、填料与无机填料混杂填充 孙金亮等17采用氧化石墨和二硫化钼二元固体润滑剂，利用其协同效应来改善环氧树脂的性能，并使用钼酸酯偶联剂对固体润滑剂进行表面改性，进一步提高环氧树脂固体润滑涂层的抗冲击、附着力和减摩耐磨性能。他们得出：采用4wt.%有机钼酸酯偶联剂处理总量一定（占涂层质量的30%）、二元配比不同的MoS2与氧化石墨二元固体润滑剂，当MoS2与氧化石墨的配比为3：2时，氧化石墨与MoS2在环氧树脂中达到高分散，涂层试样抗冲击性能和附着力最佳，同时MoS2与氧化石墨协同作用比较明显，减摩性能也较优，复合材料具有最佳的综合性能。 6.2纳米填料与纤维填料混杂填充 汪加胜、唐舫成18研究利用硬

14、度较大的纳米氮化硅粒子和具有优异自润滑和导热性能的短碳纤维进行混杂填充，希望在较低填料用量情况下，通过发挥混杂效应，获得具有良好减摩耐磨环氧基复合材料。他们发现当同时在环氧树脂中加入纳米氮化硅粒子和短碳纤维时，可以获得与加入单一填料所没有的摩擦磨损性能，加入体积含最为15 vol%的短碳纤维后，其摩擦系数和比磨损率在1 vol%纳米Si3N4粒子处出现最小值，这说明同时加入纳米氮化硅粒子和短碳纤维时，存在它们之间的协调作用，可以获得最佳的摩擦磨损性能。值得注意的是，同时加入两种组分的填料也有可能产生互相抑制的作用，当加入过量的填料后，纳米氮化硅粒子/短碳纤维/环氧树脂复合材料的摩擦磨损性能低于

15、单种填料改性的环氧树脂复合材料的摩擦磨损性能，但是仍然优于纯环氧树脂的摩擦磨损性能。纳米氮化硅粒子/短碳纤维/环氧树脂复合材料的磨损机理主要是粘着磨损和磨粒磨损，摩擦过程中复合材料表面的基体和填料不断脱落，形成的转移膜也因而遭到不断的破坏。6.3有机填料与其它填料混杂填充 丁军等19采用丁二烯合成出端异氰酸酯基聚丁二烯液体橡胶，再将其与环氧树脂E51反应制备端异氰酸酯基液体聚丁二烯橡胶/环氧树脂聚合物（ETPB），同时在其中进一步填充5%和10%（质量分数）的纳米A12O3以提高环氧树脂复合涂层的耐磨性能，并探讨其在干滑动条件下的摩擦磨损性能。他们发现通过端异氰酸酯基聚丁二烯橡胶改性环氧树脂E

16、51可以有效提高环氧树脂涂层的摩擦磨损性能，填充纳米A12O3，可有效改善ETPB涂层的耐磨性，其磨损机理为脆性断裂和剥层磨损。3 结语与展望 对环氧树脂进行改性，以得到具有耐磨性的环氧树脂复合材料目前已取得一定的成果，环氧树脂的改性研究使得对其改性机理的研究日益深入，并为寻找新的改性方法提供了理论依据。随着科学技术的不断发展，随着科研工作者的不断努力，对环氧树脂的改性研究也将日新月异，相信耐磨环氧树脂复合材料未来将会被更多更广地应用到人们的日常生活中。参考文献1牛永平，王勇峰，汪小伟，张军凯，张永振，环氧树脂复合材料的摩擦学性能研究，工程塑料应用，2015，43（6）：117-121.2丁雷

17、，李国禄，薛跃腾，高耐磨环氧树脂的现状与发展，河北工业大学成人教育学院学报，2004，19（4）：19-21.3梁文军，沈承金，史强，周仕勇，矿井筒表面用石墨-环氧树脂复合涂层的性能研究，涂料工业，2011，41（9）：65-69.4Xia，SQ，Wang，LG，Wang，EZ，Yue，Xiaoan，Study on the wear resistance of Al2O3 particles reinforced epoxy resin composite coating，Advanced Materials Research，2013，821-822：1148-1151.5张小华，徐伟箭，

18、无机纳米粒子在环氧树脂增韧改性中的应用，高分子通报，2005（6）：100-1056崔立军，王义斌，修文军，耿宏章，碳纳米管/环氧树脂复合材料摩擦磨损性能的研究，玻璃钢/复合材料，2013（4）：16-20.7齐泽昊，周永权，林炎炎，张中威，谭业发，纳米橡胶颗粒增韧环氧树脂摩擦学性能研究，塑料工业，2015，43（12）：32-36.8于志强，姜月，颗粒填充环氧复合材料的摩擦学性能研究进展，材料工程，2016，44（3）：114-121.9Mao，LH，Geng，HZ，Wang，WY，Cui，LJ，Effects of carboxyl functionalized carbon nanotu

19、be on the tensile strength and wear resistance of epoxy composites，2015，809-810：175-179.10黄丽坚，杨长城，黄培，环氧树脂基复合涂层摩擦磨损性能研究，热固性树脂，2009，24（2）：26-28.窗体顶端11刘建，梁小平，王化平，李冬梅，左蕊，玄武岩短纤维增强环氧树脂复合材料的研究，河南工程学院学报，2012，24（3）：56-59.12伞金福，朱宝亮，刘家浚，刘振民，董闯，张庆瑜，环氧树脂表面金属离子注入改性层的摩擦学性能研究，摩擦学学报，2001，21（2）：1-4.13陈青，宫大军，魏伯荣，柳丛辉，端羧基丁腈橡胶改性环氧树脂的研究，绝缘材料， 2011，44（2）.14张