聚合物基体作业
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课题名称:聚合物基体授课方式:面授为主时间:2学时教学目的与要求:1.了解热固性、热塑性树脂的特性;2.掌握碳基、陶瓷基、金属基体的特点及制法。
重点:碳基、陶瓷基、金属基材料的特点。
难点:各种基体材料的制备。
第二章聚合物基体第一节概述复合材料是由增强材料和基体材料复合材料而成的。
纤维复合材料在成型过程中,基体与增强纤维通过一定的物理和化学变化,复合成为具有特定形状的整体。
基体主要有3个作用:基体通过其与纤维间的界面以剪应力的形式向纤维传递载荷;保护纤维材料免受外界环境的化学作用和物理损伤;将纤维彼此隔开,这样,即使个别纤维断裂,裂纹也不会迅速从一根纤维扩展到其它纤维,阻止纤维断裂的裂纹传递。
复合材料的许多性能,如横向拉伸性能、压缩性能、剪切性能、耐湿性能和介电性能等均与基体有着密切的关系。
在纤维增强复合材料中,要求基体对纤维有良好的粘结性,以使两者之间形成完整的界面。
一般纤维的表面常含有羰基、羧基和羟基等极性基团,基体应用具有与之能够反应工相适应的基团,以便在复合时形成化学键或范德华作用,在基体与纤维之间构成一个完整的界面。
同时,基体的弹性模量和断裂伸长率等指标应与所用增强纤维相匹配,使复合材料显示出良好的机械性能。
此外,基体还应有良好的加工工艺性能,如良好的流动性、浸润性、成型性等。
只有这样,基体与纤维才能结合成为一个整体,相互协同作用,使复合材料具有良好的强度、刚度和韧性,能够用于各种需要场合。
复合材料的耐湿热性在很大程度上取决于基体的耐湿热性。
空间飞行器结构在湿热环境下的性能变化和耐久性问题一直是非常重要的研究课题,它关系到飞行器的结构效率和使用的安全可靠性,因此在这方面要求基体(包括固化剂等)在湿热环境下仍能有效地发挥作用。
另外,基体还应具有良好的工艺性能,如基体体系中各组分之间的混溶性、流动性、对纤维的浸润性、成型性等。
工艺性能是涉及许多因素的实用性指标。
正是由于基体与纤维的协同作用,才使得纤维复合材料具有良好的强度、刚度和韧性。
聚合物基复合材料
聚合物基复合材料是一种由聚合物基体(如聚合物树脂)和强化材料(如纤维、颗粒等)组成的复合材料。
这种复合材料结合了聚合物的可塑性和强度,以及强化材料的刚度和强度,具有优异的力学性能和工程性能。
聚合物基复合材料的制备通常包括以下几个步骤:
1. 选择合适的聚合物基体,常用的包括聚丙烯、聚酯、环氧树脂等。
2. 选择适当的强化材料,常用的有玻璃纤维、碳纤维、纳米颗粒等。
3. 基体和强化材料进行混合,可以通过热压、挤出、注塑等方法将它们混合在一起。
4. 根据需要进行后续的加工和成型,如冷却、切割、修整等。
聚合物基复合材料具有许多优点,包括:
1. 轻质高强度:与金属相比,聚合物基复合材料具有较低的密度和较高的强度,可以实现轻量化设计。
2. 耐腐蚀性:聚合物基复合材料对化学品和湿气的腐蚀性能较好,不容易受到腐蚀和氧化。
3. 良好的耐热性:聚合物基复合材料通常具有较高的耐热性和耐高温性能。
4. 良好的绝缘性能:聚合物基复合材料具有良好的绝缘性能,适用于电气和电子领域。
5. 自润滑性:聚合物基复合材料中的聚合物基体可以提供良好的自润滑性能,减少了摩擦和磨损。
由于聚合物基复合材料具有以上优点,因此广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子、医疗等领域,成为现代工程材料中的重要一类。
聚合物基体有哪些作用
聚合物基体在各种应用中具有多种重要作用。
以下是一些常见的聚合物基体的作用描述:
1. 结构支撑作用:聚合物基体可以为材料提供结构支撑,增加材料的强度和稳定性。
例如,在建筑材料中,聚合物基体可以与其他材料(如纤维素、金属等)相结合,形成复合材料,增加其承载能力和耐久性。
2. 能量储存作用:聚合物基体在电池、超级电容器等能源存储装置中起到关键作用。
聚合物基体作为电解质或固体聚合物电解质,具有良好的离子传导性能和稳定性,可储存和释放能量。
3. 隔热保温作用:聚合物基体被广泛用于隔热和保温材料中。
由于聚合物基体通常具有低热导率和高绝缘性能,可以有效地减少热量传导和能量损失,提高建筑物和设备的能效。
4. 化学保护作用:聚合物基体具有抗腐蚀、耐化学品侵蚀等特性,可用于防腐涂料、管道涂层、储存容器等化学工业中。
聚合物基体能够隔绝化学物质与环境的接触,保护基材免受腐蚀和损坏。
5. 生物医学应用作用:聚合物基体在医学和生物领域具有广泛应用。
例如,聚合物基体可用于制备人工关节、组织工程支架、药物缓释系统等医疗器械,起到修复和替代组织的作用。
总之,聚合物基体在材料科学和工程中发挥着重要的作用,包括结构支撑、能量储存、隔热保温、化学保护和生物医学应用等多个方面。
这些作用带来了许多创新和进步,促进了各行业的发展和实用化。
聚合物基体在聚合物复合材料中的作用聚合物复合材料是由聚合物基体和填充物组成的材料,其中聚合物基体起到了至关重要的作用。
聚合物基体作为复合材料的主要组成部分,不仅决定了复合材料的结构和性能,还对其应用领域和使用效果产生重要影响。
聚合物基体在聚合物复合材料中具有增强材料的作用。
聚合物基体能够有效地包裹和固定填充物,使其分散均匀并增加复合材料的强度和刚性。
聚合物基体还能够通过与填充物之间的相互作用,增强复合材料的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能。
同时,聚合物基体的选择还可以根据填充物的特性进行调整,以实现更好的增强效果。
聚合物基体在聚合物复合材料中具有增加材料韧性的作用。
聚合物基体的高分子链结构具有良好的延展性和变形能力,可以有效吸收和分散外部应力,降低复合材料的脆性,提高其韧性。
这使得聚合物复合材料在受到冲击或振动时能够更好地抵抗损伤和破坏,提高材料的可靠性和寿命。
聚合物基体还在聚合物复合材料中起到了粘合剂的作用。
由于聚合物基体具有良好的粘附性和可塑性,它能够将填充物与基体牢固地结合在一起,形成一个整体的复合材料。
这种粘合作用不仅可以提高复合材料的强度和刚度,还可以增加其抗剪切和抗拉伸的能力。
同时,聚合物基体还可以通过调整其粘附性和可塑性,实现与不同填充物的粘结和兼容性,从而改善复合材料的性能和使用效果。
聚合物基体还可以提供阻燃和耐候性能。
许多聚合物基体具有良好的耐高温和阻燃性能,能够有效阻止复合材料在高温下燃烧,提高材料的安全性。
聚合物基体还能够通过添加特殊的添加剂或进行表面处理,提高复合材料的耐候性,使其能够在恶劣的环境条件下长时间稳定使用。
聚合物基体在聚合物复合材料中起到了至关重要的作用。
它不仅增强了复合材料的强度和刚性,还增加了材料的韧性和粘结性,提供了阻燃和耐候性能。
因此,在设计和制备聚合物复合材料时,应该充分考虑聚合物基体的选择和特性,以实现最佳的材料性能和使用效果。
同时,对聚合物基体的研究和开发也是提高复合材料性能和推动材料科学发展的重要方向。
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复合材料聚合物基体篇一聚合物基复合材料摘要首先大概介绍了聚合物基复合材料,然后介绍了该复合材料的基体有热固性树脂基体、热塑性树脂基体和橡胶基体,最后介绍了聚合物基复合材料的制备工艺特点。
正文凡事以聚合物为基体的复合材料统称为聚合物基复合材料,因此聚合物基复合材料是一个很大的材料体系。
聚合物基复合材料体系的分类具有多种不同的划分标准,如按增强纤维的种类可分为玻璃纤维增强聚合物基复合材料、碳纤维增强聚合物基复合材料、硼纤维增强聚合物基复合材料、芳纶纤维增强聚合物基复合材料及其他纤维增强聚合物基复合材料。
如按基体材料的性能课分为通用型聚合物基复合材料、耐化学介质腐蚀性聚合物基复合材料、耐高温型聚合物基复合材料、耐阻燃型聚合物基复合材料。
但最能反映聚合物基复合材料本质的则是按聚合物基体的结构形式来分类,聚合物基复合材料可分为热固性树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料及橡胶基复合材料。
聚合物基复合材料是最重要的高分子结构材料之一,它比强度大、比模量大。
例如高模量碳纤维/环氧树脂的比强度是钢的5倍,喂铝合金的4倍,其比模量喂铝、铜的4倍。
耐疲劳性能好。
金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。
而聚合物基复合材料中,纤维与集体的界面能有效阻止裂纹的扩散,破坏是逐渐发展的破坏前有明显的预兆大多数金属材料的疲劳极限其拉伸强度的30%~50%,而聚合物基复合材料的疲劳极限可达到拉升强度的70%~80%。
减振性好。
复合材料中集体界面有吸震能力,因而振动阻尼高。
耐烧蚀性能好。
因聚合物基复合材料是比热容大,熔化热喝汽化热也大,高温下能吸收大量热能,是良好的耐烧蚀材料。
工艺性好。
制造工艺简单,过载时安全性好。
用于复合材料的聚合物基体课分为热固性树脂基体、热塑性树脂基体和橡胶基体。
热固性聚合物(环氧、酚醛、不饱和聚酯、聚酰亚胺树脂等)通常为分子量脚小的液态或固态预聚体,经加热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后,形成不溶不熔的三维网状高分子。
聚合物基体在聚合物复合材料中的作用1.承载载荷:聚合物基体作为复合材料的主要载荷承载部分,负责吸收和传递来自外部环境的应力和载荷。
它能够在受力时承担拉伸、压缩、剪切等多种载荷,确保复合材料的强度和刚度。
2.分散增强:聚合物基体可以有效地分散和固定增强材料(如纤维、颗粒等)在复合材料中,提高增强材料的力学性能。
通过良好的分散,聚合物基体能够限制增强材料间的相互接触和滑移,提高复合材料的抗拉强度、屈服强度和韧性。
3.良好的界面粘结:聚合物基体能够与增强材料形成良好的界面粘结,增强复合材料的耐久性和力学性能。
在界面处,聚合物基体能够与增强材料发生物理化学作用,形成强大的界面粘结力,防止界面剥离、滑移和开裂等问题。
4.阻燃和耐腐蚀:聚合物基体可通过添加烟煤、红磷等阻燃剂和抗氧化剂、紫外线吸收剂等防腐剂,提高复合材料的耐燃性和耐腐蚀性。
这样可以保护增强材料不受热、化学物质和环境引起的损伤,延长复合材料的使用寿命。
5.调节热膨胀系数:聚合物基体的热膨胀系数可以通过选择不同的聚合物树脂以及添加填充剂进行调节,与增强材料的热膨胀系数匹配,减少由于温度变化引起的热应力和热变形。
这有助于提高复合材料的尺寸稳定性和精度。
6.加工性能:聚合物基体具有良好的加工性能,容易通过热成型、挤出、注塑等常规成型工艺进行加工。
这使得聚合物复合材料能够以不同形式的成型件,满足不同应用需求。
总的来说,聚合物基体在聚合物复合材料中起着关键的作用。
它不仅提供载荷承载能力,还能分散增强材料、形成良好的界面、阻燃耐腐蚀、调节热膨胀系数,并具有良好的加工性能。
这些功能使聚合物基体成为具有优异综合性能的聚合物复合材料的核心部分。
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环氧树脂增韧改性摘要: 概述了环氧树脂的特性和环氧树脂增韧改性的主要途径,分别介绍了橡胶弹性体增韧改性环氧树脂、热塑性树脂增韧改性环氧树脂、核-壳结构增韧改性、刚性粒子增韧改性、液晶聚合物增韧改性等方法和研究进展及机理。
关键词:环氧树脂增韧改性前言环氧树脂具有优异的黏接性、耐磨性、电绝缘性、化学稳定性、耐高低温性以及收缩率低、易加工成型和成本低廉等优点。
被大量应用于胶黏剂、电子仪表、轻工、机械、航天航空、绝缘材料等领域。
但纯环氧树脂固化后呈三维网状结构,交联密度高、存在内应力大、质地硬脆、耐开裂性、抗冲击性、耐湿热性差及剥离强度低等缺点,在很大程度上限制了其在某些高技术领域的应用。
环氧树脂的增韧方法很多,目前国内外的研究主要集中于如何获得具有更高性能的环氧树脂材料,以满足特殊场合的要求,使其得到更广泛的应用。
文中对近年来国内外环氧树脂增韧改性方法、机理研究及其进展进行了分析。
1.橡胶弹性体增韧改性环氧树脂橡胶弹性体增韧环氧树脂的机理:主要有橡胶相的撕裂拉伸机理和孔洞剪切屈服机理。
前者认为:橡胶相以微粒的形式分散在环氧树脂中,裂纹在橡胶增韧环氧树脂体系中的长是通过环氧树脂基体进行的,橡胶颗粒在裂纹中起着桥梁作用,橡胶颗粒拉长或撕裂所吸收的能量就是断裂韧性的增加值。
后者认为:改性环氧脂中的橡胶颗粒在固化冷却过程中受到流体静拉力的作用,负荷时裂纹前端受到力场的作用。
这两种作用力叠加,橡胶颗粒内部或橡胶颗粒与基体间的界面破裂产生孔洞。
这些孔洞的产生一方面可以缓解裂纹尖端累积的应力;一方面又会增大橡胶上的受力点的应力集中,使孔洞化作用进一步增强,并且诱发橡胶颗粒间基体树脂的剪切屈服。
这种剪切屈服又会导致裂纹尖端的钝化,从而进一步减少基体树脂中的应力集中并阻止断裂发生。
但在许多研究中,人们发现橡胶增韧改性环氧树脂的过程很复杂,往往是多个机理协同作用的结果。
用于改性环氧树脂的橡胶需具备两个基本条件: ①固化前与环氧树脂具有相容性,并且分散好;②在环氧树脂固化时,能够顺利析出,呈两相结构。
目前用于改性环氧树脂的反应性橡胶品种主要有: 端羧基丁腈橡胶(CTBN)、端羟基丁腈橡胶(HTBN)、聚硫橡胶、液体无规羧基丁腈橡胶、端羟基聚丁二烯(HTPB)等。
Raju Thomas 等研究了用HTPB增韧改性环氧树脂的流变性能以及力学性能,发现随着HTPB含量增大,其冲击强度、断裂伸长率增大,HTPB质量分数为15% 时改性效果最好。
石敏先等研究了CTPB改性环氧树脂的结构及性能,在反应中环氧树脂(EP) 的环氧基开环后与CTBN中的羧基反应生成了酯键;同时研究了CTBN /EP/聚醚胺体系的力学性能,结果表明,随着CTBN含量的增大,其弯曲强度、拉伸强度降低、冲击强度、断裂伸长率增大,说明CTBN化学改性的EP具有良好的韧性。
Ratna等采用含有羧基的22乙基丙烯酸己酯橡胶增韧环氧树脂体系,研究了丙烯酸树脂的官能度对体系相分离及力学性能的影响,结果表明丙烯酸树脂在提高体系韧性的同时,体系的模量和玻璃化转变温度只有轻微程度的降低。
2.热塑性树脂增韧改性环氧树脂热塑性树脂具有韧性好、模量高、耐热性好的特点,加入环氧树脂基体中,能改进树脂的韧性且不影响固化物的模量和耐热性,弥补了橡胶弹性体改性环氧树脂的不足。
热塑性树脂韧EP的机制和橡胶增韧EP的机制无实质性差别,一般可采用剪切屈服理论、颗粒撕裂吸收能量或分散相颗粒引发裂纹钉铆等机制加以描述。
常用于增韧环氧树脂的热塑性树脂有聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚醚酰亚胺(PE I)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK) 等品种。
王晓洁等以芳香胺为固化剂,用热塑性树脂聚醚酮(PEK) 增韧环氧树脂,形成了环氧树脂包裹PEK的球形颗粒网络--球粒结构,这种结构可以分散应力、吸收能量、产生塑性变形、抑制裂纹的扩展,实现了对环氧树脂的增韧改性。
YU Ying2 feng 等研究了聚醚酰亚胺改性环氧树脂再加入聚醚砜后力学性能和流变性能的变化,结果发现,聚醚砜的加入大大提高了环氧树脂的韧性和热性能。
B iolley等采用二苯酮四酸二酐(BTDA)和4, 422 (92氢292亚芴基)二苯胺(FBPA)合成可溶性PI改性四缩水甘油基二苯甲烷2二氨基二苯砜环氧树脂体系,固化后的树脂用扫描电镜观察没有发现相分离,并且动态力学分析表明共混组分间能完全相容。
L I Shan2jun等研究了PES、PEI以及两者复合体系对环氧体系的相分离、流变学以及力学性能的影响。
Hongkyeong Kim等研究了聚醚砜(PES) 在等温条件下和环氧树脂共混的流变性能,发现存储模量升高可以提高固化物的韧性。
研究表明,环氧树脂/热塑性树脂共混体系相结构的形成是热力学和动力学综合作用的结果。
3.嵌段共聚物改性环氧树脂嵌段共聚物由几种不同分子链段通过共价键相连组成,通常中心嵌段和邻近的嵌段不相容,这就导致嵌段共聚物在共混时发生相分离。
但由于不同链段间有化学键相连,故相分离又受到限制,这样它产生一个分子级别的组装而得到纳米级的物质结构。
最近有关采用各种嵌段共聚物增韧环氧树脂的研究工作主要集中于使用具有环氧化物可混溶嵌段(如环氧乙烷)和环氧化物不混溶嵌段(聚烯烃)的两性嵌段共聚物。
Yonathan S Thio等研究了低相对分子质量聚氧化己烯/聚氧化乙烯两嵌段共聚物改性环氧树脂的结构和性能。
Jia (Daniel) Liu等研究了分子自组装的双亲嵌段共聚物改性环氧树脂的性能变化,发现嵌段共聚物加入质量分数为5%的环氧树脂可以显着提高断裂韧性,在室温下环氧树脂热固性没有明显变化,玻璃化转变温度只有轻微下降。
Valry Rebizant等人研究了聚苯乙烯/聚丁二烯/聚甲基丙烯酸甲酯/聚甲基丙烯酸(SBMX) 四嵌段共聚物增韧改性环氧树脂的结构和性能。
Ha Pham等研究了一种新型的三嵌段共聚物对环氧粉末涂料的增韧改性。
结果发现,嵌段共聚物对环氧粉末涂料的增韧改性相比于传统方法具有巨大优势,在提高环氧涂料的韧性和抗冲击性的同时,对于涂料本身的关键性能基本没有影响,这种改性方法与很多牺牲掉涂料自身许多性能的增韧改性环氧涂料方法相比,是一个巨大的进步。
4.齐聚倍半硅氧烷结构改性环氧树脂1946年Scott首次合成分离得到齐聚倍半硅氧烷(POSS) 以来,倍半硅氧烷化学的发展已经历了半个多世纪。
近年来POSS作为改性剂或者是共聚单体用于改性高分子材料、制备纳米复合材料引起了人们的广泛关注。
改性原理认为是由于POSS分子链的尺寸与微观裂纹的大小相当,因此对微观裂纹有愈合作用,当一个裂纹对某些硬的或粗糙的与其尺寸相当的物质敏感时,这个裂纹就有终止的倾向,从而改善了环氧树脂的韧性。
ZHANG Zeng2ping等研究了POSS结构对环氧树脂热性能的影响。
Libor Matjka 等研究了用POSS改性环氧树脂后的结构和形态。
N I Yong等从纳米结构层面研究了热固性树脂/两亲性有机无机复合体系。
Ivan Jerman等研究了功能性POSS涂层的结构和防腐蚀性,发现POSS用在涂料中可以大大改善涂料的性能;用POSS改性的环氧树脂耐热性好,电性好,且无卤阻燃,降低环氧树脂的交联密度,提高其韧性。
5.液晶聚合物改性环氧树脂液晶聚合物具有强度高、模量大、耐高温等优点。
液晶聚合物对环氧树脂的增强机理:液晶的介晶结构单元对环氧树脂的增强是因为在改性的环氧树脂中,液晶大分子受外力作用时可以沿外力方向排列取向,而液晶和环氧树脂基体的相互牵引作用,使基体也有一定的取向趋势,所以具有比原来高得多的拉伸强度;同时,液晶大分子与环氧树脂基体交织,形成刚性和柔性相间、密度较高的网络,提高了体系的冲击性能;此外,介晶单元本身的高模量和相互作用而产生自增强作用也是其能增强环氧树脂的因素之一。
TLCP增韧环氧树脂是通过原位复合的方法实施的,主要有2种途径:①合成液晶型环氧树脂,然后用它对普通的环氧树脂进行改性,使环氧的性能得以改善;②把其他类型的液晶加入到环氧树脂中,利用液晶的有序结构对环氧进行改性。
牟其伍等用含环氧基的液晶高分子改性环氧树脂,发现含环氧基的液晶高分子能显著提高环氧树脂的韧性,并对环氧树脂的耐热性也有较大程度的改善。
TLCP的增韧机理主要是裂纹钉锚作用。
6.刚性纳米粒子增韧改性利用化学或物理方法引入刚性粒子时,不仅可以降低材料的成本、控制材料的热性,而且还可以提高材料的弹性模量和基体的韧性。
其改性机制为裂纹钉铆机制:刚性纳米粒子与EP 形成较为理想(远大于范德华力)的作用力,并形成结合强度适中的界面;当刚性粒子发生塑性变形时,粒子会吸收大量能量,引发微裂纹作用,并且EP 中的银纹扩展受到刚性粒子的钝化、阻碍而停滞,从而达到增韧的目的。
赵世琦等用石英砂填充环氧树脂,发现体系韧性的增加程度与填料的粒径有关。
Palumbo等用空心玻璃微球填充环氧树脂时发现,体系韧性的增加程度与填料的粒径及表面处理的方法有关。
没经过表面处理的刚性粒子与环氧树脂基体之间由于粘合性不好而无法有效阻止基体中微裂纹的生长,不能起到增韧环氧树脂的作用;经过表面处理的刚性粒子与环氧树脂基体之间能有效地粘合,在界面处产生粘接层,可有效阻止微裂纹的发展。
Ishizu 等发现在橡胶改性的双酚A型环氧树脂中加入玻璃微珠后,会形成橡胶与玻璃微珠的杂化粒子能够进一步提高环氧树脂的韧性。
7.HBP 增韧改性HBP增韧EP是由于HBP同时具备了橡胶的低黏度和热塑性树脂的高耐热性等特点,并且其与相同Mr(相对分子质量)的线型聚合物相比具有更高的溶解度、更低的黏度和更大的化学反应活性,而且其大量末端基还可以改善体系的某些性能。
由环氧基、羟基和羧基封端的超支化聚酯,即使掺量极少也能明显提高EP组成物的韧性,并且不降低体系的强度及Tg8.核/壳结构聚合物增韧改性核/壳结构聚合物是指由两种或两种以上单体通过乳液聚合制得的复合聚合物粒子,具有特殊的双层或多层结构。
核/壳结构橡胶粒子的增韧机制主要是橡胶粒子作为应力集中体,既可诱发银纹和剪切带吸收能量,又可终止银纹。
橡胶弹性粒子还能与EP 界面脱粘,并释放其弹性应变能,从而使材料的韧性和粘接强度明显提高。
汪源等制备出一种PBA/PMMA(聚丙烯酸丁酯/聚甲基丙烯酸甲酯)核/壳型粒子:核层PBA 具有良好的弹性,壳层PMMA 和EP 的相容性良好,从而可实现增韧粒子的有效分散,并且EP的缺口冲击强度显著提高;当w(核/壳粒子)=3%时,共混体系的冲击强度(80.2 kJ/m2)相对最大(纯EP为54.3 kJ/m2),共混物呈韧性断裂特征。
结语以上介绍了各种增韧改性环氧树脂的方法对环氧树脂进行增韧改性,改变环氧树脂的脆性缺点,既可以应用于传统的环氧树脂应用领域以提高产品的性能,又可以开发出环氧树脂许多新用途。