研究了新型工程材料環(huán)氧樹(shù)脂與改性環(huán)氧化天然橡膠(ENR)和納米填料的性能。來(lái)自可再生天然作物資源的ENR是一種綠色材料，具有部分替代或替代和增韌石化基聚合物的潛力。用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、動(dòng)態(tài)光散射(DLS)、原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)納米復(fù)合材料(環(huán)氧樹(shù)脂/ENR/填料納米粒子)進(jìn)行了表征。對(duì)比研究了納米纖維素和納米二氧化硅增強(qiáng)納米填料的表征和力學(xué)性能。通過(guò)熱重分析(TGA)表征納米復(fù)合材料的機(jī)械性能(例如，沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度)和熱降解行為。力學(xué)性能研究結(jié)果表明，相對(duì)于基準(zhǔn)納米復(fù)合材料混合機(jī)，在ENR 50中混入納米填料可以提高納米復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。納米填料在環(huán)氧復(fù)合材料中的填充量在0.75 phr(每百份樹(shù)脂的份數(shù))時(shí)表現(xiàn)出最高的機(jī)械性能改善。評(píng)估了加速老化老化的影響，觀察到納米二氧化硅的變化大于納米纖維素填料的變化。這里，發(fā)現(xiàn)在兩種納米填料中，14天后拉伸性能的加速老化增加為10%，而其它機(jī)械性能沒(méi)有顯著變化。這些納米復(fù)合材料預(yù)計(jì)具有高磨損率，限制了它們的使用壽命。
如今，質(zhì)量保證、健康保護(hù)和環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為相互依賴和相互關(guān)聯(lián)的方面，并被認(rèn)為是響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展概念的主要因素。制造螺旋槳葉片的方法需要綠色環(huán)保。環(huán)氧復(fù)合材料是無(wú)人機(jī)(UAV)葉片制造商的主要關(guān)注點(diǎn)。從這個(gè)角度來(lái)看，本文介紹的成果可用于現(xiàn)代葉片，旨在開(kāi)發(fā)可靠、高效且經(jīng)濟(jì)高效的葉片，這些葉片可承受其使用壽命期間可能會(huì)遇到的嚴(yán)重靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)載荷，而不會(huì)產(chǎn)生不利影響。為了使納米復(fù)合材料刀片的可持續(xù)生產(chǎn)與綠色制造實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計(jì)師和用戶應(yīng)該在如何將健康和環(huán)境因素融入粘合程序方面進(jìn)行創(chuàng)新。本研究旨在開(kāi)發(fā)一種新方法，在質(zhì)量-健康-環(huán)境相關(guān)問(wèn)題方面提供高性能的粘接復(fù)合材料葉片半殼。通過(guò)將新的綠色材料因素整合到傳統(tǒng)的粘合配方中，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生新一代環(huán)保產(chǎn)品的替代解決方案。葉片大多由納米二氧化硅、碳纖維和玻璃纖維制成，因?yàn)檫@些材料強(qiáng)度大但重量輕。然而，環(huán)氧樹(shù)脂是這些復(fù)合材料中最重要的成分，用作纖維的粘合劑基質(zhì)，以提高強(qiáng)度和光滑的表面。需要改善這些葉片的延展性以獲得更好的抗沖擊性。復(fù)合材料中常用的材料是環(huán)氧樹(shù)脂、纖維和硬化劑。主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂也廣泛用于土木工程。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的粘合性能，并且在固化后還具有良好的機(jī)械性能(高模量、低蠕變和合理的高溫性能)，但是由于高度交聯(lián)的結(jié)構(gòu)，其在沖擊下容易失效。添加到環(huán)氧樹(shù)脂中以提高其韌性的彈性體材料包括硬質(zhì)顆粒材料。此外，還研究了改性的環(huán)氧化天然橡膠(ENR)彈性體。ENR是由重要的可再生資源天然橡膠合成的。評(píng)估了生物基工程材料商業(yè)化的挑戰(zhàn)。對(duì)可再生資源材料和氣候變化的管理關(guān)注導(dǎo)致了尋找石油基材料的綠色替代品和減少溫室氣體排放的嘗試。研究了ENR粒子和其它軟材料如聚硅氧烷來(lái)改善脆性環(huán)氧樹(shù)脂的斷裂韌性。在眾多提高環(huán)氧樹(shù)脂沖擊強(qiáng)度的嘗試中，還測(cè)試了天然橡膠或環(huán)氧化天然橡膠(ENR)膠乳的混合。在該研究中，納米復(fù)合材料的降解比較是在一個(gè)室外氣候試驗(yàn)中進(jìn)行的。環(huán)境老化是由濕度、風(fēng)和紫外線輻射引起的，導(dǎo)致材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化，影響其耐用性。環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸性能可能在老化過(guò)程中的初始固結(jié)階段得到改善，這歸因于后固化反應(yīng)。降解階段之后，復(fù)合材料的性能顯著降低。這歸因于基體界面的退化和弱化。本研究的目的是通過(guò)添加含有納米填料的ENR彈性體來(lái)提高環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的臨界力學(xué)性能。兩種類型的納米填料(納米二氧化硅或納米纖維素)在不同的填料負(fù)載水平下進(jìn)行測(cè)試，以改善用于葉片(風(fēng)力渦輪機(jī)和無(wú)人機(jī)葉片應(yīng)用)的機(jī)械性能。納米復(fù)合材料方法克服環(huán)氧脆性和處理正在進(jìn)行的研究策略，使堅(jiān)韌的生物基材料。討論了橡膠、納米填料等關(guān)鍵增韌改性劑。評(píng)估了生物基改性劑商業(yè)化的挑戰(zhàn)，探討了韌性工程材料的研究和開(kāi)發(fā)。
2.1.材料
2.1.1.改性環(huán)氧化天然橡膠(ENR)
ENR由天然橡膠(NR)膠乳合成，得自泰國(guó)Muang Mai Guthrie有限公司。NR含有平均直徑約為1 μm的球形顆粒，其固含量約為60% wt。NR的密度為0.92 GCM-3，并且它包含超過(guò)98%的順式-1，4聚異戊二烯。使用0.5 M過(guò)氧化氫、多元醇環(huán)氧乙烷縮合物(Terric 16A-16) (3%重量)和0.75 M試劑級(jí)甲酸，通過(guò)用天然橡膠膠乳的過(guò)甲酸環(huán)氧化原位環(huán)氧化至50%摩爾環(huán)氧化物含量來(lái)制備ENR 50。讓反應(yīng)在50℃下進(jìn)行8小時(shí)。
2.1.2.環(huán)氧樹(shù)脂
該環(huán)氧樹(shù)脂被用作雙酚-A型環(huán)氧樹(shù)脂，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示(A)雙酚-A二縮水甘油醚(EPO tec YD 535 LV:epicholhydrin-雙酚a)，平均分子量小于700 g/mol。EP的比重為1.10，粘度為1200厘泊，購(gòu)自泰國(guó)Aditya Birla化學(xué)工業(yè)有限公司。
2.1.3.固化劑
一種多胺(TH 7255)是固化劑，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，它與雙酚-A型環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)，在室溫下固化時(shí)產(chǎn)生熱量。TH 7255的比重為1.04，粘度為100厘泊。TH 7255固化劑由泰國(guó)Aditya Birla化學(xué)工業(yè)有限公司提供。
2.1.4.納米填料
獲得納米復(fù)合材料的納米填料分為兩種類型，一種是基于納米纖維素，與納米二氧化硅相比，更詳細(xì)地說(shuō)是基于納米纖維素； 納米纖維素。白色納米纖維素粉末是從木漿制備的商業(yè)產(chǎn)品。納米纖維素的重均分子量為14，700–27，850 g/mol，比表面積為400 m2/g。納米纖維素由加拿大CelluForce公司提供。 納米氧化硅。用甲基三乙氧基硅烷對(duì)由白色納米二氧化硅粉末形成的納米二氧化硅膠體進(jìn)行表面改性。納米二氧化硅的重均分子量為60克/摩爾，比表面積為135平方米/克。40%重量的納米二氧化硅膠體由泰國(guó)Bossofticl有限公司在H2O提供。
2.2.<納米復(fù)合材料樣品制備
納米復(fù)合材料制備如下。 首先，將100 phr的環(huán)氧樹(shù)脂(phr:每100份環(huán)氧樹(shù)脂的份數(shù))與5 phr的50摩爾%環(huán)氧化物含量的環(huán)氧化天然橡膠(ENR 50)混合，并加入所需的納米填料，在反應(yīng)器(AM120Z-H實(shí)驗(yàn)室電動(dòng)混合器/攪拌機(jī))中以50 rpm和室溫(30℃)攪拌15分鐘。作為第二步，TH 7255硬化劑或固化劑以相同的攪拌速度攪拌5分鐘。最后，將納米復(fù)合材料樣品在室溫下在橡膠模具中成型24小時(shí)，并且將樣品用計(jì)算機(jī)成型數(shù)控(CNC)機(jī)成型，以制備用于測(cè)試機(jī)械性能的樣品。
2.3.表征和分析
由環(huán)氧樹(shù)脂與ENR 50和納米填料共混得到的納米復(fù)合材料樣品的表征如下。
對(duì)大約15 mg復(fù)合材料樣品進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析。為了評(píng)估原材料中的官能團(tuán)，通過(guò)FTIR對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行類似的研究。使用Vertex 70(Bruker，Karlsruhe，德國(guó))記錄FTIR光譜，該儀器配備有鍺ATR晶體探針，允許直接記錄光譜而無(wú)需樣品制備。記錄的光譜是波數(shù)范圍為4000–400cm-1、分辨率為4cm-1的32次掃描的平均值。在掃描樣品之前，記錄干凈晶體的背景掃描。
2.3.2.動(dòng)態(tài)光散射(DLS)
動(dòng)態(tài)光散射是一種測(cè)量光強(qiáng)度的技術(shù)，也稱為光子相關(guān)光譜(PCS)，可以估計(jì)納米范圍內(nèi)的顆粒尺寸:0.005-5微米。使用德國(guó)的Annalys 22 Nanotech在室溫下以懸浮模式進(jìn)行測(cè)量。
2.3.3.原子力顯微鏡
原子力顯微鏡用于表征納米填料的粒徑。使用Nanosurf Easyscan 2 AFM(Nanosurf AG，Liestal，Switzerland)在室溫下以半接觸模式捕獲AFM圖像。
2.4.機(jī)械性能
確定了用于螺旋槳葉片應(yīng)用的納米復(fù)合材料(環(huán)氧樹(shù)脂與ENR 50和納米填料的共混物)的關(guān)鍵機(jī)械性能。拉伸強(qiáng)度根據(jù)ASTM D638，沖擊強(qiáng)度根據(jù)ASTM D256測(cè)量，硬度(肖氏D)根據(jù)ASTM D2240測(cè)量。
2.4.1.抗張強(qiáng)度
納米復(fù)合材料(具有ENR 50和納米填料的環(huán)氧樹(shù)脂)的拉伸強(qiáng)度通過(guò)德國(guó)Zwick Roll的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(Z010)根據(jù)ASTM D638進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試機(jī)器配備有10 kN測(cè)力傳感器，并且使用的拉伸速度為50 mm/min。將樣品的I型制備成50毫米和3毫米的工作和測(cè)量長(zhǎng)度。抗拉強(qiáng)度是作用在橫向于所施加載荷的平面上的每單位面積的最大力，并且是樣品內(nèi)部?jī)?nèi)聚力的基本量度。
2.4.2.沖擊強(qiáng)度
測(cè)量納米復(fù)合材料(具有ENR 50和納米填料的環(huán)氧樹(shù)脂)的固化無(wú)缺口樣品的懸臂梁式?jīng)_擊強(qiáng)度。破壞樣品時(shí)吸收的能量可以用SI單位表示，并由沖擊試驗(yàn)機(jī)(Dynisco Polymer Test 50J，Japan)測(cè)定。懸臂梁式擺錘沖擊試驗(yàn)記錄了在ASTM D256規(guī)定的條件下特定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)復(fù)合樣品的斷裂能量。樣品尺寸為63.5毫米× 12.7毫米× 3.0毫米。樣品保持在懸臂梁結(jié)構(gòu)中(與三點(diǎn)彎曲結(jié)構(gòu)相反)。
2.4.3.困難
納米復(fù)合材料的硬度用數(shù)字硬度計(jì)測(cè)量。樣品至少為6.0毫米(0.25英寸)厚，每種類型的一個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量三次。測(cè)量初始硬度，或給定時(shí)間后的壓痕硬度。該測(cè)試要求以一致的方式施加機(jī)械力。
2.5.形態(tài)類型學(xué)
掃描電子顯微鏡(SEM)是對(duì)材料形貌進(jìn)行成像的常用方法之一。在剃刀缺口附近進(jìn)行SEM成像，以反映統(tǒng)一的失效模式。此外，SEM用于評(píng)估納米復(fù)合材料中的相相容性。在掃描電子顯微鏡中，低能電子束照射到材料上，掃描樣品表面。SEM樣品用薄金/鈀層濺射涂覆(真空中5-8kv ),并用劍橋立體掃描200 (FEI-Quanta 400，日本東京Jeol有限公司)成像。
2.6.熱性質(zhì)
2.6.1.熱重分析(TGA)
使用熱重分析儀(STA 6000，Perkin Elmer Inc .，Connecticut，USA)在30°C至600°C的溫度范圍內(nèi)，用N2和600°C至900°C的溫度范圍內(nèi)，用O2沖洗，以10°C min-1的加熱速率和100 ml/min的流速，使用約10 mg樣品，評(píng)估熱性能。
2.6.2.加速老化
使用QUV加速老化測(cè)試儀(QUV測(cè)試LU-0819，Q-panel lab products，USA)按照ASTM G154循環(huán)I進(jìn)行暴露于UVA的老化。QUV加速老化試驗(yàn)的條件包括340 納米和0.77 W/m2強(qiáng)度的UVA輻射，在60℃下8小時(shí)，在50℃下水冷凝4小時(shí)，以及將水噴灑在樣品上15分鐘。紫外老化循環(huán)重復(fù)達(dá)168小時(shí)和336小時(shí).
2.7.統(tǒng)計(jì)分析
方差分析的XLSTAT軟件用于測(cè)量各因素對(duì)力學(xué)性能的顯著性。
3.1.材料的表征
評(píng)估納米復(fù)合材料的第一步是對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)鑒定和表征。
3.1.1.納米填料的粒徑
粒度分布如圖2(a)(納米纖維素)和圖2(b)(納米二氧化硅)所示。動(dòng)態(tài)光散射提供快速、精確和可重復(fù)的納米顆粒尺寸數(shù)據(jù)，是納米顆粒技術(shù)專家的必備工具。列出了用SZ-100獲得的z平均直徑。納米纖維素的尺寸分布是雙峰的(圖2(a))。存在顆粒的納米纖維素直徑，其中正好90%的顆粒體積大于20.3納米，并且10%的顆粒小于約1.4納米。圖2(b)顯示納米二氧化硅的粒度分布是單峰的，標(biāo)稱粒度約為20納米，平均直徑約為50納米。
圖2(a)(1)-2(a)(3)中的納米纖維素和圖2(b)(1)-2(b)(3)中的納米二氧化硅通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)可以確定納米填料的粒徑，圖2(b)(1)-2(b)(3)顯示了納米填料在二維和三維圖像中的形貌，這清楚地表明可以區(qū)分納米顆粒。
通過(guò)圖像分析，納米纖維素的平均粒度估計(jì)為20.34納米，納米二氧化硅的平均粒度估計(jì)為52.8納米。
3.1.2.傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析
表1總結(jié)了4000–400cm-1范圍內(nèi)的FTIR光譜，如圖3所示。915cm-1處的第一條線(環(huán)氧樹(shù)脂線)歸因于環(huán)氧乙烷基團(tuán)中的C-O變形。約3050cm-1處的峰歸因于環(huán)氧環(huán)亞甲基中的C–H拉伸。該峰是環(huán)氧單體的聚合度，它可以用作環(huán)氧基團(tuán)存在的定性指標(biāo)。NR的FTIR光譜(NR線)在1660cm-1處顯示了不飽和C = C拉伸的強(qiáng)峰。2935cm-1、2864cm-1和2840cm-1處的峰歸因于C-H拉伸，837cm-1處的峰表明C-H彎曲與不飽和碳相連。對(duì)于ENR 50線，在870cm-1處出現(xiàn)的峰表明環(huán)氧環(huán)和連接到環(huán)氧乙烷環(huán)的C-H彎曲，在環(huán)氧化增加后，在ENR 50中觀察到的838cm-1處的強(qiáng)度降低，這可能是由于環(huán)氧環(huán)也出現(xiàn)在C = C雙鍵處。納米纖維素光譜(納米纖維素線)中約1730cm-1的吸收帶是由于羧酸或酯基團(tuán)中的-C = O拉伸所致，如圖3所示。897cm-1處的峰屬于纖維素中葡萄糖單元之間的C–O–C糖苷鍵，而3440cm-1處的吸收屬于H–O–H拉伸。在1506cm-1處，吸收帶是由于苯環(huán)中特殊類型的不飽和鍵的拉伸。1246cm-1處的吸收與(C–O)拉伸有關(guān)。FTIR結(jié)果證實(shí)了納米二氧化硅的三個(gè)主要特征峰(納米二氧化硅線),分別來(lái)自1093cm-1處的Si–O–Si不對(duì)稱鍵(Si–O)、788cm-1處的Si–O–Si不對(duì)稱鍵(Si–OH)和466cm-1處的Si–O–Si鍵彎曲振動(dòng)(Si–O–Si，硅氧烷);這分別歸因于二氧化硅的不對(duì)稱和對(duì)稱拉伸以及彎曲模式。3440cm-1和1645cm-1處的吸收帶分別屬于吸附水的H–O–H拉伸和彎曲模式，與硅醇-OH基團(tuán)和與二氧化硅表面結(jié)合的水有關(guān)。復(fù)合材料(EP + ENR 50、EP + ENR 50 + CNC和EP + ENR 50 +納米二氧化硅)的這些光譜在915cm-1處有吸收，這歸因于環(huán)氧乙烷基團(tuán)中的C-O變形，在3050cm-1處有吸收，這歸因于環(huán)氧環(huán)的亞甲基中的C-H拉伸。
FTIR已被用于鑒定ENR中50 l%mol環(huán)氧化的水平。ENR 50通常具有高彈性和回彈應(yīng)變結(jié)晶，但在膠乳階段具有低的耐油性。因此，這個(gè)ENR被稱為ENR 50在以前的工作。
3.2.納米復(fù)合材料的形態(tài)
3.2.1.沒(méi)有和有ENR 50的環(huán)氧樹(shù)脂的形態(tài)
從純環(huán)氧樹(shù)脂基體和相關(guān)復(fù)合材料的缺口伊佐德沖擊斷裂表面的SEM顯微照片(圖4(a))評(píng)估形態(tài)。斷裂表面的結(jié)構(gòu)研究表明，在ENR 50顆粒表面形成了新相(圖4(b))。
球形橡膠球提高了沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。在ENR 50的情況下，環(huán)氧樹(shù)脂和ENR 50復(fù)合材料在相界具有更好的相互作用，這給出了比純環(huán)氧樹(shù)脂基體更高的沖擊強(qiáng)度。
橡膠作為組分存在，觀察到分散在熱塑性塑料中的大球狀區(qū)域。加入5份ENR 50是提高沖擊強(qiáng)度的合適選擇。選擇無(wú)定形ENR 50作為模型基質(zhì)，以研究納米顆粒對(duì)納米復(fù)合材料機(jī)械性能的影響。 3.2.2.納米復(fù)合材料的形態(tài)
具有環(huán)氧樹(shù)脂、ENR 50和納米填料的納米復(fù)合材料的形態(tài)顯示在圖4(c)和4(d)中，為缺口伊佐德沖擊斷裂表面的SEM顯微照片。環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的顯微照片具有光滑和有光澤的外部，帶有許多波狀或流狀裂紋，如箭頭所示。橡膠和納米填料填充的納米復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度逐漸增加。圖4(c)(1–4)顯示了環(huán)氧樹(shù)脂(EP)/ENR 50/納米纖維素(CNC)的納米復(fù)合材料共混物，在CNC為0.75 phr的情況下，在相界處具有優(yōu)異的相互作用，這給出了最高的沖擊強(qiáng)度。圖4(d)(1–4)中的EP/ENR 50/納米二氧化硅共混物改善了納米二氧化硅相界的相互作用，因此機(jī)械性能隨著納米填料的加入而提高。納米二氧化硅的趨勢(shì)與納米纖維素相似。納米纖維素和納米二氧化硅在環(huán)氧復(fù)合材料中的良好分散提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。增加納米填料的填充量可持續(xù)提高強(qiáng)度和斷裂韌性?？偟膩?lái)說(shuō)，納米填料是一種很有前途的方法來(lái)改善航天環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的性能?？梢缘贸鼋Y(jié)論，混合物中0.75 phr納米纖維素是較佳選擇，具有良好的相容性和高強(qiáng)度，且沒(méi)有顯著的負(fù)面影響。應(yīng)該注意的是，加入超過(guò)0.75 phr會(huì)惡化機(jī)械性能。
3.3.納米復(fù)合材料的力學(xué)性能
為了評(píng)價(jià)包含ENR 50 (ENR 50在5 phr加載量下提高了沖擊強(qiáng)度)和納米填料的環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的機(jī)械性能。相對(duì)于純環(huán)氧樹(shù)脂基體，納米填料的填充量變化高達(dá)1 phr，納米復(fù)合材料的結(jié)果收集在表2中，表明納米填料的填充量影響機(jī)械性能。在這項(xiàng)研究中，我們研究了復(fù)合材料中納米纖維素和納米二氧化硅的填料類型和數(shù)量的影響。測(cè)定納米填料填充量為0.25、0.5、0.75和1 phr的納米復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。0.75 phr的沖擊強(qiáng)度高于0.25、0.5和1 phr的沖擊強(qiáng)度。這是由于納米纖維素的小粒徑以及其在環(huán)氧樹(shù)脂基體中良好的相容性和分散性。根據(jù)先前的研究，納米纖維素的均勻分散和高縱橫比有助于獲得良好的結(jié)果。由于相似的極化水平，納米填料與環(huán)氧樹(shù)脂相容，這提高了納米復(fù)合材料的剛度。
比較納米填料(納米纖維素和納米二氧化硅)的類型，以找到納米復(fù)合材料的較佳機(jī)械性能。表2總結(jié)了機(jī)械性能，如沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和硬度，它們隨著納米填料的加入而提高。關(guān)于拉伸強(qiáng)度，納米纖維素比納米二氧化硅增加得更多，因?yàn)榧{米纖維素的C-C鍵比納米二氧化硅更能抑制橡膠的結(jié)晶。此外，納米纖維素的沖擊強(qiáng)度高于納米二氧化硅，可能是因?yàn)槔w維提高了抗裂紋擴(kuò)展的能力。韌性沒(méi)有明顯的變化，盡管環(huán)氧樹(shù)脂與納米二氧化硅的共混物比與納米纖維素的共混物韌性更高。二氧化硅的結(jié)合比碳碳鍵更強(qiáng)，以前納米二氧化硅的硬度比納米纖維素增加的更多。還發(fā)現(xiàn)，不管混合方法如何，具有納米二氧化硅或納米纖維素的納米復(fù)合材料的強(qiáng)度高于純環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的強(qiáng)度。比較填料負(fù)載之間的機(jī)械性能，例如沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，似乎具有0.75 phr納米纖維素的復(fù)合材料將是具有最高強(qiáng)度的較佳選擇。然而，納米纖維素作為增強(qiáng)填料比納米二氧化硅具有更好的機(jī)械性能。熒光紫外加速老化過(guò)程中的后固化進(jìn)一步提高了納米復(fù)合材料的力學(xué)性能。
3.4.納米復(fù)合材料的熱性能
3.4.1.熱重分析(TGA)
它用于研究環(huán)氧納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，圖5(a)和5(b)。熱重分析熱譜圖表明，環(huán)氧樹(shù)脂基體的熱穩(wěn)定性隨著納米填料用量在0.25、0.5、0.75和1 phr之間穩(wěn)步顯著增加。注意，TGA是在30至600℃的溫度范圍內(nèi)在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行的，而在600至900℃的溫度范圍內(nèi)在氧氣氣氛下進(jìn)行的。圖5清楚地觀察到兩個(gè)分解步驟。第一步是在氮?dú)夥障陆到?，第二步是在氧氣氛下分解。?jù)觀察，盡管圖5(a)中納米纖維素(CNC)納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性顯著提高，但所有情況下的最高降解溫度(Td)約為370℃。然而，使用0.75份CNC的情況具有較好的熱穩(wěn)定性。如圖5(b)所示，觀察到納米二氧化硅-納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性隨著納米二氧化硅負(fù)載量的增加而顯著增加，但是所有情況下的最高降解溫度都是380℃。在最后的600°C溫度下，復(fù)合材料中的填料(納米纖維素和納米二氧化硅)可能在第二步中部分分解，仍有一些殘余物殘留，其量隨著填料的增加而增加。然而，納米復(fù)合材料的整體穩(wěn)定性在很大程度上取決于交聯(lián)的性質(zhì)，納米填料將對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在本研究中，環(huán)氧樹(shù)脂體系的交聯(lián)度沒(méi)有進(jìn)行評(píng)估，這將在未來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
3.4.2.加速老化
較佳納米復(fù)合材料(100 phr環(huán)氧樹(shù)脂、5 phr ENR 50和0.75 phr納米填料)紫外加速老化前后的機(jī)械性能如圖6所示。結(jié)果顯示，根據(jù)Izod沖擊試驗(yàn)，加速老化(68、168和336小時(shí)的UV-A)降低了圖6(a)中的沖擊強(qiáng)度。然而，在加速老化后，樣品的硬度增加，并且樣品的表面呈現(xiàn)出從無(wú)色到暗黃色的明顯顏色變化。相反，納米纖維素比納米二氧化硅具有更高的沖擊強(qiáng)度。在圖6(b)中，顯示了根據(jù)先前的研究，熒光紫外加速老化提高了拉伸強(qiáng)度，而其他機(jī)械性能沒(méi)有顯著變化。評(píng)估了UV-A加速老化的效果，觀察到納米二氧化硅的變化大于納米纖維素納米填料的變化。加速老化后，納米復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度性能，較好的情況是UV-A處理168 h。這是由于納米填料和ENR 50的小粒徑，二者在環(huán)氧納米復(fù)合材料中具有良好的相容性和分散性。當(dāng)我們比較不同類型的納米填料時(shí)，納米纖維素比納米二氧化硅具有更高的拉伸強(qiáng)度。納米纖維素纖維的高縱橫比可有助于防止裂紋擴(kuò)展。使用ENR和納米填料的工程生物基環(huán)氧樹(shù)脂的納米復(fù)合材料方法適合對(duì)非石油基結(jié)構(gòu)材料的研究，如可生物降解、高性能和輕質(zhì)的生物納米復(fù)合材料。
在本研究中，環(huán)氧化天然橡膠在5 phr加載量下達(dá)到50%mol 水平提高了環(huán)氧納米復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。應(yīng)用兩種類型的納米填料進(jìn)行比較，并評(píng)估它們?cè)诩铀倮匣昂髮?duì)機(jī)械性能的影響。還研究了納米復(fù)合材料的形態(tài)和熱性能。綜合性能較佳的納米二氧化硅或納米纖維素的較佳用量為0.75份。然而，納米纖維素作為增強(qiáng)填料比納米二氧化硅具有更好的機(jī)械性能。納米填料的加入提高了熱穩(wěn)定性。該納米復(fù)合材料在加速老化后也具有良好的強(qiáng)度性能。5 phr的ENR 50水平和0.75 phr的納米纖維素是改善用于槳葉螺旋槳的環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料抗沖擊性能的共混比例的良好選擇。來(lái)自納米復(fù)合材料和農(nóng)用工業(yè)的新型可再生材料的性能是設(shè)計(jì)堅(jiān)韌的生物基環(huán)氧樹(shù)脂的方法。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
