纳米氧化铝/酚醛改性环氧树脂复合材料的制备及性能研究

作     者：包仲保 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张瑞珠

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：改性氧化铝 酚醛树脂 环氧树脂 耐磨防腐机理 非等温固化动力学 

摘      要：本文以聚合物基纳米复合材料在海洋装备和海洋工程等领域的广泛应用前景为背景。通过酚醛树脂(PF)和纳米氧化铝(AlO)协同改性环氧树脂,以阶梯固化方式制备了纳米AlO掺杂PF/EP聚合物基复合材料。借助红外光谱仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)、泰伯磨损试验、硬度测试、吸水率测试、接触角测试、电化学交流阻抗(EIS)实验和差示扫描量热仪(DSC)等实验和检测方法对复合材料进行表征。研究了PF和纳米AlO含量的变化对复合材料的摩擦磨损和耐腐蚀性能的影响,并从微观层面上探讨了复合材料的耐磨防腐机理和机制;探究了PF/EP体系的固化机理和制定了固化工艺流程,建立了其相关反应动力学机理模型。本文的主要内容及结论如下:在耐磨性能方面:FTIR测定证实了硅烷改性纳米AlO参与到PF与EP的固化反应中;纳米AlO和PF的加入均提高了EP的硬度和耐磨性,与EP相比,PF质量分数为30%、且掺杂3%(质量分数)纳米AlO的复合材料的磨损失重最少(784mg),其硬度提高了86%、磨损失重降低了38.7%;SEM显示硅烷改性纳米AlO与PF/EP聚合物基体结合良好,断裂面产生的银条纹和分散均匀的纳米AlO提高了复合材料的韧性和致密性,其磨损表面更平整和致密,磨损机理主要为粘着磨损。复合材料在摩擦过程中,剥落的纳米AlO形成的润滑膜减缓了复合材料与对偶面的磨损。同时,纳米AlO和PF通过提高复合材料的刚度和承载能力,进而提高了复合材料的耐磨性。在耐腐蚀性能方面:掺杂3%纳米AlO的复合涂层达到吸水饱和时的吸水率最小(0.65%),其接触角最大(80.7°),较EP涂层增加了17.6°;复合涂层在3.5%(质量分数)Na Cl溶液中浸泡576h后的低频阻抗模量值最大(1.46×10Ω·cm),比EP涂层高一个数量级。改性后纳米AlO表面的羟基被取代,亲水基团减少,提高了涂层表面的疏水性。同时,纳米AlO表面的氨基与EP共价结合,提高了纳米颗粒在复合涂层中的相容性和涂层的致密性。此外。这些纳米颗粒阻碍了腐蚀性介质的扩散,减少了腐蚀性介质的扩散速率,从而提高了复合涂层的耐腐蚀性。在固化动力学方面:发现PF/EP体系的固化反应分为两个阶段:第一个阶段是EP中环氧基和PF的酚羟基起醚化反应及EP中的羟基与PF中羟甲基反应,第二个阶段是PF在高温下自身发生缩合产生的副反应;制定了PF/EP体系固化工艺流程为90℃/1h+100℃/2h+110℃/2h,为后期的实验和固化过程提供了指导作用;建立了反应动力学机理模型方程并进行了验证,自催化模型能够较为准确的描述和预测PF/EP体系的固化反应过程。