无机空心微球增韧环氧树脂复合材料的界面设计及其阻尼特性

Liquid-like inorganic hollow (LIH) spheres are prepared with grafting modification of oligo(ethylene glycol) (OEG) on the surface of hollow micro glass bead or hollow nano-silica. Surface properties and fluidity of LIH spheres are tuned by grafting density and molecular mass of OEG. Epoxy suspension is prepared by compounding LIH spheres into epoxy resin. The suspension system can remain low apparent viscosity even with high volume fraction of filler due to liquid-like behavior of LIH spheres and packing aggregate grading effect. Epoxy composites containing hollow micro-/nano-spheres are obtained after the suspension is cured. The relationship between mechanical properties and structures of the composites is investigated to reveal the toughening mechanism. The influences of interface properties and structures on damping property of epoxy composites are studied with dynamic mechanical analysis. It is important that the damping property of these polymeric composites can be controlled by inorganic hollow microspheres and flexible matrix/filler interface layer. At the same time, the composites can be synergistically toughened by multiscale inorganic hollow particles. These composites can meet the requirement of high strength, toughness and damping for structural material.

采用低分子量的聚乙二醇分别接枝微米级空心玻璃微珠和纳米级空心二氧化硅制备类流体空心微球。通过接枝密度的控制和聚乙二醇分子量的选择来调控改性无机空心微球的表面性质和流动特性。将表面改性的无机空心微球分散到环氧树脂中，利用类流体特性和级配效应来提高填料在基体中的体积填充率、降低环氧树脂悬浮液的粘度，改善体系的加工流动性。通过复合、固化制得环氧树脂/微、纳米无机空心微球复合材料。定量表征其界面粘接强度，研究复合材料的组成、界面性质与力学性能之间的关系，揭示多尺度空心微球复合材料的增韧机理。通过动态力学分析，研究界面性质、组成及结构对复合材料阻尼性能的影响，掌握高阻尼环氧树脂复合材料的制备方法。采用微、纳米粒子对聚合物协同增韧的同时，无机空心微球及聚合物/无机填料的柔性界面层可赋予复合材料高的阻尼特性，满足结构阻尼材料的高强韧性、高阻尼要求，为高性能复合材料的研究和开发提供新的方法和理论基础。

采用偶联剂对微米级空心玻璃微珠（HGB）进行表面化学改性，并通过偶联剂类型、添加量、改性工艺等条件来调控HGB的表面特性，改善了其与聚合物基体的相容性。将改性HGB与环氧树脂复合，通过分段固化工艺制备了环氧树脂/HGB复合材料；采用有机化的蒙脱土为触变剂改善了环氧树脂/HGB复合体系的加工流动特性、分散均匀性和贮存稳定性；向环氧树脂/HGB复合体系中添加液态端羧基丁腈橡胶（CTBN），其与HGB实现了对环氧树脂的协同増韧改性。. 通过溶胶-凝胶法制备了空心纳米二氧化硅微球（HNS-SiO2）和空心纳米二氧化硅管（HNT-SiO2），并通过合成条件的优化实现了空心纳米填料结构与形貌的有效调控。将HNS-SiO2或HNT-SiO2用于填充改性环氧树脂，在提高环氧树脂弯曲强度和弯曲模量的同时，少量的HNS-SiO2或HNT-SiO2即可对环氧树脂进行有效増韧。. 微米级HGB与CTBN协同作用，在保持环氧树脂优良力学性能的前提下，可改善其隔音性能；添加少量的无机纳米空心填料实现对环氧树脂增强増韧的同时，提高了环氧树脂的隔音能力。研究结果可为聚合物増韧改性、环氧树脂的功能化和高性能化，以及新型隔音材料的设计与制备提供新方法和理论基础。.