纳米蒙脱土对环氧树脂阻尼性能的影响

1、纳米蒙脱土对环氧树脂阻尼性能的影响 1于英华,徐平,陈棕桢辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新(123000E-mail:摘 要 :通过实验方法研究了纳米蒙脱土对环氧树脂阻尼性能的影响, 并对影响结果进行了 定性地分析。 结果表明, 以纳米蒙脱土为填料加入环氧树脂中, 可在提高环氧树脂的力学性 能的同时进一步提高其阻尼性能。 该研究成果既为进一步提高环氧树脂的阻尼性能提供了一 种新的途径, 又为进一步提高开孔泡沫铝的力学性能和阻尼性能, 拓展其应用领域, 提供了 一种合适的填充材料。关键词:纳米蒙脱土;环氧树脂;阻尼性能中图分类号:33 文献标识码:A1.引言为既提高泡沫铝力学性能, 又提高

2、其阻尼性能, 从而拓展泡沫铝的应用, 需要寻求一种 阻尼高、强度较大且易于填充入泡沫铝孔洞中的材料 1。环氧树脂属于高分子材料, 具有较高的阻尼性能, 且环氧树脂 (EP具有灵活的结构设计 性, 通过其本身结构的设计、 固化剂的选用, 其固化工艺和固化性能可以在很大范围内进行 调整。 纳米技术及纳米材料的发展又为环氧树脂的改性提供了新的思路。 特别是将具有天然 纳米层状结构的蒙脱土 (MMT引入到环氧树脂,所得到环氧树脂基纳米复合材料与基体树 脂相比具有更加优异的性能 2-4。为此我们考虑,在选用合适的固化剂和固化工艺情况下, 向环氧树脂中引入适量的纳米蒙脱土, 也应该会提高环氧树脂的阻尼性能

3、, 从而制备出我们 所需要的泡沫铝孔洞填充材料。目前对于环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料的性能研究主要集中在力学性能和热性能上。 而对其阻尼性能的研究鲜见报道 2-4。本文根据课题组前期对相关材料的研究经验 5和我们 对环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料应用的性能要求,制备了环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料, 然后用实验方法研究了纳米蒙脱土对环氧树脂阻尼性能的影响, 并对影响结果进行了定性的 分析。2.环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料的制备2.1 材料组分及配比本研究采用的环氧树脂为两种热固性树脂:E-44和 E-51, 它们均为双酚 A 型环氧树脂, 在常温下为液态线性结构, 这时的环氧树脂是没有强度

4、的, 必须固化后才能发挥作用。 本实 验采用 T31作为固化剂。环氧树脂是很粘稠的物质,要在其中加入稀释剂来降低粘度 6。另 外, 该类树脂的固化韧性并不高, 要加入增韧剂来提高固化的韧性。 本实验选稀释剂为丙酮, 增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP 。选有机化纳米蒙脱土(MMT 为填料。如上各组分材 料的配比如下:E-44为 30%、 E-51为 70%、 DBP 为 14%、 T31为 25%,纳米蒙脱土为环氧 树脂总量的 10%。1本课题得到辽宁工程技术大学校科学技术资助项目(0446的资助。2.2 试件的制作为比较起见,我们以相同结构尺寸的试样和试验方法,分别测试环氧树脂和环氧树脂 /纳

5、米蒙脱土复合材料的阻尼性能。环氧树脂和环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料可看作非支撑材料,其阻尼性能可通过测试 金属板与该材料复合试样的损耗因子,然后根据相应公式计算得出 7。试样的结构尺寸如图 1所示。其制作方法如下: 图 1 环氧树脂及环氧树脂蒙脱土试件图Fig.1 Specimen diagram f of epoxy resin and epoxy resin nanomotmorillonite 在 4mm 厚的钢板上剪切下 416280××mm 的底板; 制造内腔为 816280××mm 的木模; 在木模中铺设塑料薄膜,将钢板插入木模中,参见图

6、2; 根据前述的材料配方,用托盘天平先分别称环氧树脂各组分材料,将称取后的各物 质放入器皿中搅拌均匀, 将器皿放入温度调在 5070ºC左右的数显恒温水浴锅中加热数分钟 后,加入适量稀释剂丙酮,搅拌加热至流动性能最好时,盛入到木模中,待到其具有一定的 成型性时,用平面度较高的钢板将其与木模压平抹齐。 图 2 环氧树脂及环氧树脂蒙脱土试件制做 图 3 环氧树脂及环氧树脂蒙脱土试件Fig.2 Manufacturing process of specimen of Fig.3 Specimen of epoxy resinepoxy resin and epoxy resin nanom

7、otmorillonite and epoxy resin nanomotmorillonite 将盛有环氧树脂的木模放入托盘中, 再将托盘连同试件一起放入温度调定在 70ºC左 右的烘干炉中烘干, 40分钟后再取出,室温下固化 1天,然后脱模即制作出环氧树脂材料 性能参数测试试件见图 3。环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料试件的制作,除在将 E-44、 E-51、 DBP 、 T31和稀释剂 丙酮, 搅拌加热至流动性能最好时, 再将纳米蒙脱土均匀撒入其中, 并继续搅拌 12分钟成 环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料外,其他的制作步骤同环氧树脂试件的制作过程。2 材料阻尼性能的测试2.1 测

8、试原理测试原理示意图如图 4。采用自由振动衰减法,分别测试金属板和金属板与环氧树脂或环氧树脂 /纳米蒙脱土复 合材料形成的复合试样的第一阶振型的共振频率和阻尼比, 具体做法是:将试件固定在激振 实验台上, 用信号发生器激励电磁换能器, 对试件进行非接触式简谐激振, 将用加速度传感 器拾取的振动信号, 经放大器放大后, 送入二次处理计算机进行数据处理, 测出试样的弯曲 共振第一阶振型的共振频率和阻尼比,然后根据如下公式(1 (3可计算出环氧树脂和环 氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料材料的阻尼和弹性模量 7。2=i i f f (1式中, 为复合试样损耗因子; i f 为复合试样各级模态的半功率点带宽

9、, Hz ; i f 为复合试样各级模态的共振频率, Hz 。=1/211i i f f m m (2 (12211463/1E f f m m E i i += (3 式中, 为所测材料的损耗因子; 21m m m += 复合结构质量, g ; 1m 为基板质量(扣除 夹持部分质量, g ; 2m 为所测材料的质量, g ; i f 1为基板各阶共振频率, Hz ; E 为所测材料的弹性模量, Pa ; 1E 为钢板 (基板 的弹性模量, Pa , (对钢板取 2×1011 Pa ; 为 12/d d , 厚度比:2d 为所测材料的厚度, mm ; 1d 为钢板(基板的厚度, mm

10、 。 图 4 阻尼性能测试示意图Fig.5 Sketch and equipments for testing damping2.2 仪器设备实验硬件有:WS-ZHT2型综合实验台、 JZF-1非接触激振器、 1NV306DM 智能信号采 集处理分析仪、 BZ1110-111型加速度传感器、 WS-5923波谱功率放大器和 1NV 多功能抗混 滤波放大器。软件有:北京波谱公司 “Vib , SYS 振动信号采集处理和分析系统 ” 和北京东方振 动与噪声研究所的 “DASP 智能信号采集和信号分析系统 ” 。 除上述测试仪器和设备以外, 还有需测量试件长度的游标卡尺、 测量试件宽度和厚度的 螺旋

11、测微器和测量质量的天平等。2.3 测试结果按上述测试步骤直接测得的参数列于表 1。将表 1中的数据代入公式 (1(3,计算出的 环氧树脂和环氧树脂 /纳米蒙脱土阻尼参数及弹性模量如表 2。由表 2可见,向环氧树脂中添加如纳米蒙脱土后可使其损耗因子提高 1.3倍,弹性模量 提高 1.7倍 .表 1 测试结果Tab.1 Testing result 表 2 环氧树脂和环氧树脂纳米蒙脱土性能参数Tab.2 Property parameters of epoxy resin and epoxy resin nanomotmorillonite参数 损耗因子1Q 或 弹性模量E /Pa密 度 3 /

12、/cm g 环氧树脂 环氧树脂 /纳米蒙脱土 0.260.332.153.691.15 1.153 结果分析为了改善粘弹性材料的动态力学性能, 增加粘弹性材料的损耗因子, 调整其玻璃态转变 区温度, 扩展粘弹性材料的温度使用范围等, 通常采用的方法是在高分子材料中加入填加剂 或薄片填料、颗粒填料、低密度颗粒等。填加剂或填料的主要作用是: 填加剂或填料增加材料应变及损耗能量的能力; 填加剂或填料限制分子运动,增加应力和应变之间的相位滞后; 可扩大阻尼温度范围和所需的玻璃态转变区温度; 片状和颗粒状填料具有增强内摩擦以损耗能量的作用,颗粒状填料具有增强效应, 限制分子长链相互转换过程中的运动,从而

13、增强能量的转化,增加了阻尼。我们向环氧树脂中加入的纳米蒙脱土属片状填料, 因此它起到了增加环氧树脂阻尼的作 用;既环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料的阻尼优于环氧树脂的阻尼。4结论(1以纳米蒙脱土为填料加入环氧树脂中可在提高提高环氧树脂的力学性能的同时进 一步提高其环氧树脂的阻尼性能, 为进一步提高开孔泡沫铝的性能, 拓展其应用领域, 提供 了一种合适的填充材料。(2环氧树脂的阻尼性能的提高程度应与向其中加入纳米蒙脱土量的多少有关,具体 关系如何有待于进一步探讨,而且该问题的探讨对于优化环氧树脂 /纳米蒙脱土复合材料的 阻尼性能,拓展其应用领域具有重要的理论和现实意义。1 于英华 , 梁冰 , 张

14、建华 . 泡沫铝基高分子复合材料制备及其性能 J.辽宁工程技术大学学报 , 2005,24(6:903-9052 顾军渭 , 张广成 , 刘铁民等 . 环氧树脂基纳米复合材料制备的研究进展 J.粘接 ,2005,26(4:43-453 Beckern O, Varleyb R, Simon G. Morphology, thermal relaxations and mechanical properties of layered silicate nanocomposites based upon high-functionality expoxy resins J.Polymer,2002

15、,43:4365-43734 Osman M A, Mittal V, Morbidelli M, et al. Epoxy- layered silicate nanocomposites and their gas permeation propertiesJ.Macromolecules,2004,37:7250-72575 周晓谦 . 环氧树脂 /纳米蒙脱土耐磨防腐涂层力学性能研究 D.阜新 :辽宁工程技术大学 ,2003, 116 陈平 . 环氧树脂与环氧树脂涂料 M.北京 :化学工业出版社 ,2003.37 国 家 质 量 技 术 监 督 局 . 阻 尼 材 料 阻 尼 性 能 测

16、 试 方 法 S.中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 (GB/T18258-2000 ,2001,7Effect of nanomotmorillonite on epoxy resin damping YU Yinghua, XU Ping, CHEN ZongzhenMechanical Engineering College, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning (123000 AbstractThe effect of nanomotmorillonite on epoxy resin damping is studie

17、d by experiment, and the result of experiment is analyzed qualitatively. It is shown that adding nanomotmorillonite as a kind of filler can enhance the damping as well as mechanical properties of epoxy resin. It provides not only a new kind of method to improve epoxy resin damping but also a suitable material fi