[发明专利]一种增韧改性的环氧树脂组合物、复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种增韧改性的环氧树脂组合物、复合材料及其制备方法，按照质量份数计算，所述环氧树脂组合物包括：环氧树脂100份、核壳结构的SiO₂‑聚砜微球2‑20份、固化剂20‑25份。本发明的增韧改性的环氧树脂组合物、复合材料，通过加入核壳结构的SiO₂‑聚砜微球对环氧树脂进行增韧，热塑性树脂聚砜和刚性无机纳米粒子SiO₂均可提高环氧树脂的韧性，无机纳米粒子SiO₂还可弥补聚砜加入导致的树脂刚性降低等缺陷，同时，壳层材料聚砜将核层的纳米SiO₂包覆后可防止其团聚，而由于聚砜与环氧树脂结构相近，相容性高，壳层的聚砜还可提高纳米SiO₂与环氧树脂的相容性，保证对环氧树脂的增韧效果。

技术领域

本发明属于碳纤维增强环氧树脂基复合材料技术领域，具体涉及一种增韧改性的环氧树脂组合物、复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强环氧树脂基复合材料是以环氧树脂为基体，以碳纤维或其织物为增强体，复合而成的材料。其具有轻质、高强的性能，而被广泛应用于风电行业、电子电气、建筑行业、道路交通、化工防腐、石油化工、航空航天、船舶运输等领域，其市场需求量也呈现逐年递增的趋势。但是，环氧树脂交联固化后形成立体网状结构，交联密度增大、内应力提高，固化物硬脆、韧性差易开裂，限制了其应用。

目前，主要采用三种途径来提高碳纤维增强环氧树脂基复合材料的韧性，即：提高碳纤维的性能、提高环氧树脂基体的断裂韧性、提高增强材料与环氧树脂基体之间的界面粘结性能。从提高环氧树脂基体的断裂韧性角度出发，主要方法有：热塑性树脂增韧、无机刚性纳米粒子增韧、橡胶弹性体增韧。热塑性树脂增韧是加入高强度、高模量、耐热性好的热塑性树脂改性环氧树脂，热塑性树脂与环氧树脂有相似的化学结构，在材料制备的初始混合阶段，热塑性树脂可与环氧树脂很好的相容，而在升温固化的过程中，可发生诱导相分离，热塑性树脂可通过裂纹钉锚、裂纹桥联、裂纹路径偏转等机理改善环氧树脂的断裂韧性，但是，热塑性树脂的加入可使环氧树脂的拉伸性能、弯曲性能等其他力学性能降低，并且，热塑性树脂必须通过反应诱导相分离形成第二相，存在着相分离不完全导致增韧效果大大降低的问题。无机刚性纳米粒子增韧是基于裂纹钉铆机理，刚性纳米粒子与环氧树脂形成合适的作用力，当刚性粒子形变时，可消耗大量能量，产生裂纹，同时，环氧树脂固化物中银纹扩展遇到刚性粒子时会发生钝化，从而受到阻碍，停止扩展，实现其增韧效果，无机纳米刚性粒子的加入可提高环氧树脂的韧性，同时提高环氧树脂的其他力学性能。但是，纳米无机刚性粒子表面能高，在制备初始阶段的混合过程中极易团聚，导致其体系混合不均匀，增韧效果差，且无机刚性粒子与环氧树脂之间的相容性较差。橡胶弹性体增韧是由于橡胶形成的颗粒分散在环氧树脂中，固化时橡胶相析出，诱发银纹与剪切带以达到增韧效果。橡胶增韧效果明显，但其会降低环氧树脂的强度、刚性与热稳定性。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种增韧改性的环氧树脂组合物、复合材料及其制备方法，通过加入核壳结构的SiO₂-聚砜微球对环氧树脂进行增韧，热塑性树脂聚砜和刚性无机纳米粒子SiO₂均可提高环氧树脂的韧性，无机纳米粒子SiO₂还可弥补聚砜加入导致的树脂其他力学性能的降低，同时，壳层材料聚砜将核层的纳米SiO₂包覆后可防止其团聚，而由于聚砜与环氧树脂结构相近，相容性高，壳层的聚砜还可提高纳米SiO₂与环氧树脂的相容性，保证对环氧树脂的增韧效果。

为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种增韧改性的环氧树脂组合物：

按照质量份数计算，所述环氧树脂组合物包括：环氧树脂100份、核壳结构的SiO₂-聚砜微球2-20份、固化剂20-25份；所述核壳结构的SiO₂-聚砜微球包括聚砜壳层和封装于所述聚砜壳层中的SiO₂核。