HTPB液体橡胶_纳米Si..._2协同增韧环氧树脂的研究_何勇.pdf

59加工与应用NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and TechnologyHTPB液体橡胶/纳米SiO2协同增韧环氧树脂的研究何 勇1,陈金威1,张卫康2,田烨杰1*（1.国网浙江省电力有限公司嘉善县供电公司，浙江 嘉兴 314100；2.嘉善恒兴电力建设有限公司，浙江 嘉兴 314100）摘要：为了解决单一材料改性环氧树脂（EP）综合性能不足的问题，采用端羟基聚丁二烯（HTPB）和纳米二氧化硅（SiO2）对EP进行协同改性。结果表明：HTPB的端羟基和纳米SiO2表面的硅羟基可以与树脂基体的环氧基团反应，形成良好的界面结合。HTPB可以显著提升EP的韧性，但增强作用有限，且耐热性较差。纳米SiO2能够起增强、增韧作用，同时也具有很好的热稳定性，但增韧效果不如HTPB。采用两者共同改性EP，具有很好的协同增强增韧效果。当HTPB添加量为3份、纳米SiO2添加量为1份时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度相比于未改性EP，分别提升52.3%、54.0%和106.5%。添加HTPB和纳米SiO2后，复合材料相比纯EP具有更低的介电常数。关键词：环氧树脂；液体橡胶；纳米二氧化硅；力学强度；冲击韧性中图分类号：TQ322.4+1 文献标识码：A 文章编号：1005-3360（2023）02-0059-05 DOI：10.15925/ki.issn1005-3360.2023.02.012Synergistic Toughening of Epoxy Resin by Hydroxyl Terminated Polybutadiene Liquid Rubber/Nano SiO2HE Yong1,CHEN Jin-wei1,ZHANG Wei-kang2,TIAN Ye-jie1*(1.Jiashan Power Supply Co.,State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd.,Jiaxing 314100,China;2.Jiashan Hengxing Electric Power Construction Co.,Ltd,Jiaxing 314100,China)Abstract：In order to solve the problem of insufficient comprehensive performance of epoxy resin(EP)modified by single material,hydroxyl-terminated polybutadiene(HTPB)and nano silica(SiO2)were used to synergistically modify EP.The results show that the terminal hydroxyl group of HTPB and the silicon hydroxyl group on the surface of nano SiO2 can react with the epoxy group of the resin matrix to form a good interface bonding.HTPB can significantly improve the toughness of EP,but the enhancement effect is limited and the heat resistance is poor.Nano SiO2 can play a role in both strength and toughness,and also has good thermal stability,but the toughening effect is not as good as HTPB.Using both to modify EP has a good synergistic toughening effect.When the addition amount of HTPB is 3 phr and the addition amount of nano SiO2 is 1 phr,the tensile strength,flexural strength and impact strength of the composites are 52.3%,54.0%and 106.5%higher than those of unmodified EP,respectively.After adding HTPB and nano SiO2,the composites have lower dielectric constant than pure EP.Key words：Epoxy resin;Liquid rubber;Nano silica;Mechanical strength;Toughness电力金具是连接和组合电力系统中各类装置的重要部件，对于线路的送电安全有很大影响。传统的金属铸铁类金具一方面存在严重的磁滞损耗和涡流损耗，造成电能消耗1-2；另一方面还容易腐蚀生锈，需要镀锌保护，而镀锌工艺过程易产生酸、碱、重金属等各类废弃物，造成环境污染。采用铝基材料虽能够降低磁滞损耗，也不容易被腐蚀，但作为金属导体，电能损耗仍无法避免，且价格较高，其开采、电解、熔炼过程也涉及许多高能耗、高污染工收稿日期：2022-10-18基金项目：国网浙江省电力有限公司省管产业单位科技项目（2021-KJLH-JS-019）*联系人，引用本文：何勇,陈金威,张卫康,等.HTPB液体橡胶/纳米SiO2协同增韧环氧树脂的研究J.塑料科技,2023,51(2):59-63.Citation：He Y,Chen J W,Zhang W K,et al.Synergistic toughening of epoxy resin by hydroxyl terminated polybutadiene liquid rubber/nano SiO2J.Plastics Science and Technology,2023,51(2):59-63.60加工与应用NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology序3-4。有机高分子材料，不仅不存在磁滞、涡流损耗，也不需要进行防腐，且具有比重小、易加工、力学性能优良等优点，对于结构复杂多样的金具的生产和应用具有很大优势5-6。环氧树脂(EP)是其中应用较广泛的树脂体系之一，具有加工灵活、固化后尺寸稳定性好、力学强度高、电绝缘性能优越、耐热性能优良等优点。但EP由于在固化过程中形成高度交联的网络结构，分子链运动能力低，使固化树脂内应力大、耐冲击性和耐开裂性差，制约其应用7-9。利用活性端基液体橡胶对环氧树脂增韧是目前较成熟和有效的方法，在工业界已有一定的应用。但橡胶的强度和刚性较低、耐热性差，在改善EP韧性的同时，也导致材料强度、耐热性等方面性能丧失10-12。采用无机纳米材料改性EP可以兼顾材料韧性和强度，但对韧性的提升效果不如液体橡胶明显13-18。为了克服单一材料改性EP在综合性能提升方面的不足，本实验组合了活性端基液体橡胶和纳米二氧化硅(SiO2)对EP进行改性。考虑复合材料作为电力金具，需要确保复合材料的电绝缘性。端羟基聚丁二烯(HTPB)是非极性液体橡胶；纳米SiO2表面含大量硅羟基，在固化过程中可以与EP基体反应，实现强界面结合。本实验利用HTPB和纳米SiO2对EP改性，以实现两者优势互补，提升EP韧性，同时兼顾其强度和耐热性，为树脂基复合材料金具的研发奠定了基础。1实验部分1.1主要原料环氧树脂(EP)，E-51，大连齐化新材料有限公司；593固化剂，纯度98.5%，上海奥屯化工科技有限责任公司；端羟基聚丁二烯(HTPB)，II型，天元航材科技股份有限公司；纳米二氧化硅(SiO2)，纯度99.8%，山东优索化工科技有限公司；N,N-二甲基苄胺(BDMA)，纯度98%，杭州邦易化工有限公司；抗氧剂1010，纯度98%，上海易恩化学技术有限公司；紫外线吸收剂，UV-531，上海麦克林生化科技有限公司；无水乙醇，纯度99.5%，国药集团化学试剂有限公司；聚乙二醇二缩水甘油醚HS205，纯度99.9%，佛山宏硕化工有限公司。1.2仪器与设备傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，6700，赛默飞世尔科技公司；热重分析仪(TG)，Q5000IR，美国TA仪器公司；全自动压片机，LP-S-50，美国 Labtech 公司；鼓风干燥箱，DHG-9023A，上海精宏实验设备有限公司；万能材料试验机，3369、摆锤冲击试验仪，9050，美国Instron公司；精密阻抗分析仪，E4990A，美国是德科技公司。1.3样品制备由于加入3份HTPB的复合材料力学性能较好，所以EP/HTPB/纳米SiO2中HTPB选了3份。表1为EP/HTPB、EP/纳米SiO2、EP/HTPB/纳米SiO2的配方。按表1 配方在三口烧瓶里称取一定量的 E-51，加入HTPB、BDMA催化剂、纳米SiO2、抗氧剂1010、UV-531、稀释剂HS205，搅拌均匀，升温；在110 下反应3 h，达到一定黏度后，停止反应，得到改性环氧预聚物。在改性环氧预聚物中加入593固化剂，搅拌均匀，浇注至标准模具，并在全自动压片机中进行固化成型。固化温度为130、压表1EP/HTPB、EP/纳米SiO2和EP/HTPB/纳米SiO2的配方/份Tab.1 Formula of EP/HTPB,EP/nano SiO2 and EP/HTPB/nano SiO2/phr样品EPEP/HTPB（1份）EP/HTPB（3份）EP/HTPB（5份）EP/HTPB（10份）EP/HTPB（20份）EP/HTPB（30份）EP/HTPB（40份）EP/纳米SiO2（1份）EP/纳米SiO2（2份）EP/纳米SiO2（3份）EP/纳米SiO2（4份）EP/纳米SiO2（5份）EP/HTPB（3份）/纳米SiO2（1份）EP/HTPB（3份）/纳米SiO2（2份）EP/HTPB（3份）/纳米SiO2（3份）EP/HTPB（3份）/纳米SiO2（4份）EP/HTPB（3份）/纳米SiO2（5份）E-51100100100100100100100100100100100100100100100100100100HTPB0135102030400000033333纳米SiO2000000001234512345593固化剂252525252525252525252525252525252525催化剂BDMA0.250.250.250.250.250.250.250.250.250.250.250.250.250.250.250.250.250.25抗氧剂10100.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.5UV-5310.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.5稀释剂HS20555555555555555555561加工与应用NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology力11 MPa、时间1 h。在80 常压下保温4 h。固化完毕后，冷却，取样，裁边。1.4性能测试和表征FTIR分析：波数范围8004 000 cm-1。TG分析：取510 mg试样，N2气氛，以10/min的升温速率从室温加热至600。力学性能测试：按GB/T 14582008进行拉伸强度和三点弯曲强度测试；冲击强度按GB/T 1043.12008进行测试。介电测试：样品表面喷金，在精密阻抗分析仪上测试其介电性能，测试温度为室温，测试频率为102106 Hz。2结果与