一种改性纳米聚苯乙烯增强增韧环氧树脂纳米复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种树脂基纳米复合材料，特别是一种改性纳米聚苯乙烯增强增韧环氧树脂纳米复合材料及其制备方法。

背景技术：

由于优良的物理和化学性能、良好的加工工艺性，环氧树脂作为工业生产领域的基体材料之一，已经被广泛应用到胶黏剂、涂层以及航空航天等领域。然而，环氧树脂固化物的脆性大、拉伸强度差，限制了其广泛的应用。为进一步拓展环氧树脂在航空航天等领域应用，提升其拉伸强度和韧性是技术关键。

聚苯乙烯（ps）是一种常用的热塑性材料，目前被广泛应用于制作透明包装材料、透明塑料容器、托盘和一次性餐具等。目前，聚苯乙烯在增韧增强环氧树脂方面已有少量应用，但聚苯乙烯粒径大，含量高，复合材料欠缺易加工性。另一方面，聚苯乙烯是高分子聚合物，较难得到纳米微球，而且纳米聚苯乙烯比表面积大、表面能高，极易在聚合物树脂基体内形成团聚体，难以较好发挥纳米增强功能，应用受到限制。

技术实现要素：

为了克服现有环氧树脂固化物韧性和拉伸强度的不足，本发明的目的在于提供一种改性纳米聚苯乙烯增强增韧环氧树脂纳米复合材料及其制备方法。本发明方法以环氧氯丙烷表面功能化改性剂，通过静电纺丝技术制备改性纳米聚苯乙烯微球，可以显著提高环氧树脂固化物的拉伸强度和韧性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种改性纳米聚苯乙烯增强增韧环氧树脂纳米复合材料，其组分包括50～80重量份的环氧树脂、0.1～10重量份的改性纳米聚苯乙烯微球和15～30重量份的固化剂。

本发明中，所述固化剂为2,4-二乙基-6-甲基苯-1,3-二胺。

本发明提出的一种改性纳米聚苯乙烯增强增韧环氧树脂纳米复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（a）将1～20重量份的聚苯乙烯加入到250～5000重量份的环己烷（体积分数10%～50%）、丙酮（体积分数10%～50%）和乙酸乙酯（体积分数10%～50%）混合溶液中，磁力搅拌至完全溶解；加入0.5～10重量份的1%～10%无水氯化铝/乙醇溶液中，磁力搅拌下反应0.5h～2h；再加入0.1～15重量份的环氧氯丙烷，磁力搅拌下反应0.5h～2h；反应完全后，洗涤干燥研磨，制得改性聚苯乙烯粉末；

（b）将1～20重量份的步骤（a）的改性聚苯乙烯粉末加入到60～90重量份的n,n-二甲基甲酰胺（dmf）中；然后磁力搅拌3h～5h，完全溶解后，静电纺丝得到改性纳米聚苯乙烯微球；

（c）将0.1～10重量份的步骤（b）的改性纳米聚苯乙烯微球加入到50～80重量份的环氧树脂中，室温静置12h；进行第一次机械搅拌1h，加入15～30重量份的固化剂，继续进行第二次机械搅拌2～3h，浇注到在80-130℃预热的橡胶模具中固化3-7h，冷却至室温，开模，即得改性纳米聚苯乙烯增强增韧环氧树脂纳米复合材料。

本发明中，步骤（b）中静电纺丝参数包括，聚合物浓度1%～40%，推进速度0.01μl/min～10μl/min，静电电压5kv～30kv，接收距离5cm～40cm。

本发明中，步骤（c）中第一次机械搅拌转速为300-700rpm/25℃，第二次机械搅拌转速为100-400rpm/20^oc-50℃。

本发明的有益结果是：由于采用环氧氯丙烷表面功能化改性的纳米聚苯乙烯为环氧树脂填充物，解决了未改性纳米聚苯乙烯在环氧树脂基体中易团聚的问题，且纳米聚苯乙烯表面官能团的引入使之与环氧树脂基体具有更好的界面相容性，拉伸强度和韧性实现明显提高，拉伸强度由现有技术的不足80mpa提高到90mpa～126mpa之间，拉伸伸长率提高20%～80%。

附图说明

图1是实施例1中0.2wt%纳米聚苯乙烯/环氧树脂纳米复合材料拉伸强度图。

图2是实施例1中0.1wt%纳米聚苯乙烯/环氧树脂纳米复合材料拉伸强度图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

实施例1，将1重量份的聚苯乙烯加入到2500重量份的环己烷（体积分数20%）、丙酮（体积分数30%）、乙酸乙酯（体积分数50%）混合溶液中，磁力搅拌至完全溶解。加入3重量份的5%无水氯化铝/乙醇溶液中，磁力搅拌下反应1h。再加入2重量份的环氧氯丙烷，磁力搅拌下反应0.5h。反应完全后，洗涤干燥研磨，制得改性聚苯乙烯粉末。

将5重量份的改性聚苯乙烯粉末加入到70重量份的n,n-二甲基甲酰胺（dmf）中。然后磁力搅拌3h，完全溶解后，静电纺丝得到聚苯乙烯微球。静电纺丝参数为，聚合物浓度2%，推进速度0.05微升/分，静电电压10kv，接收距离15cm。

将0.2重量份的纳米聚苯乙烯微球加入到80重量份的环氧树脂中，室温静置12h。然后机械搅拌（600rpm/25℃）1h，加入20重量份的固化剂（ek3402），继续机械搅拌（200rpm/20℃-50℃）2h，浇注到在120℃预热的橡胶模具中固化5h，冷却至室温开模即得改性纳米聚苯乙烯/环氧树脂纳米复合材料。

经测试，所制备的改性纳米聚苯乙烯/环氧树脂纳米复合材料具有优异的机械性能（拉伸强度提高到纯环氧的123%，拉伸伸长率增加到纯环氧的128%），结果如图1所示。

实施例2，将20重量份的聚苯乙烯加入到3000重量份的环己烷（体积分数10%）、丙酮（体积分数40%）、乙酸乙酯（体积分数50%）混合溶液中，磁力搅拌至完全溶解。加入5重量份的7%无水氯化铝/乙醇溶液中，磁力搅拌下反应1h。再加入3重量份的环氧氯丙烷，磁力搅拌下反应1h。反应完全后，洗涤干燥研磨，制得改性聚苯乙烯粉末。

将25重量份的改性聚苯乙烯粉末加入到75重量份的n,n-二甲基甲酰胺（dmf）中。然后磁力搅拌5h，完全溶解后，静电纺丝得到聚苯乙烯微球。静电纺丝参数为，聚合物浓度6%，推进速度0.2微升/分，静电电压15kv，接收距离25cm。

将0.1重量份的纳米聚苯乙烯微球加入到76重量份的环氧树脂中，室温静置12h。然后机械搅拌（600rpm/25℃）1h，加入24重量份的固化剂（ek3402），继续机械搅拌（200rpm/20℃-50℃）2h，浇注到在120℃预热的橡胶模具中固化5h，冷却至室温开模即得改性纳米聚苯乙烯/环氧树脂纳米复合材料。

经测试，所制备的改性纳米聚苯乙烯/环氧树脂纳米复合材料具有优异的机械性能（拉伸强度提高到纯环氧的130%，拉伸伸长率增加到纯环氧的153%）。结果如图2所示。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种改性纳米聚苯乙烯增强增韧环氧树脂纳米复合材料及其制备方法，所述复合材料组分包括50～80重量份的环氧树脂、0.1～10重量份的改性纳米聚苯乙烯微球和15～30重量份的固化剂。具体步骤为：制备改性聚苯乙烯粉末；静电纺丝得到改性纳米聚苯乙烯微球；将改性纳米聚苯乙烯微球加入到环氧树脂中，室温静置12 h；进行第一次机械搅拌，加入固化剂，继续进行第二次机械搅拌，浇注到在80‑130℃预热的橡胶模具中固化3‑7 h，冷却至室温，开模，即得所需产品。本发明解决了未改性纳米聚苯乙烯在环氧树脂基体中易团聚的问题，且纳米聚苯乙烯表面官能团的引入使之与环氧树脂基体具有更好的界面相容性，拉伸强度和韧性实现明显提高。

技术研发人员：谷红波;马超;张洪源
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2018.04.19
技术公布日：2018.11.06