1、硕 士 学 位 论 文含 POSS 的环氧树脂复合材料的制备与题 目：性能研究摘 要I摘 要近年来，国内外对于环氧树脂的研究进展迅速，传统的环氧树脂尽管有十分优秀的理化性能，但仍然存在一些缺陷，不足以满足工业生产及应用的需要，故对其性能的改善优化成为了现今的发展趋势 1-4。为了克服环氧树脂的性脆和不耐高温等缺点，本文通过用笼型八聚倍半硅氧烷杂化物对环氧树脂改性，用来优化双酚 A 型环氧树脂的热学性能和机械性能，系统研究了新合成的杂化物的性质及其对双酚 A 型环氧树脂性能的影响。以自制的 POSS-NH2 为原料，按照顺序比例（ 1:6 至 1:14）依次加入对-甲苯基缩水甘油醚（TGE ）
2、，通过开环反应合成了一类新型有机/无机醚类杂化物 PTGE；在POSS-NH2 中按照顺序比例（ 1:5 至 1:8）分别加入苯甲醛（ BA） 、对-二甲氨基苯甲醛（DABA） ，由于胺基与醛基易发生缩聚反应，分别得到亚胺类杂化物PBA、 PDABA。通过溶解性测试、红外光谱、核磁氢谱热重分析等性能表征，对以上产物进行研究分析。将第一类醚类杂化物 PTGE 以不同的质量分数（5%-20%）添加至双酚 A 型环氧树脂中，制备一种新型的有机/无机杂化物改性环氧树脂复合材料。复合材料经固化后，通过研究其固化时间和温度，测试拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度、差示扫描量热、热重等分析，选择最佳制备条件，并
3、通过 XRD、SEM 等测试研究其内部结构的变化。将第二类亚胺类杂化物 PBA、PDABA 分别以不同的质量分数添加至双酚 A 型环氧树脂中，同时制备出两种新型复合材料。由于 PBA、PDABA 是固体粉末，需对其在环氧树脂的溶解能力进行优化条件的研究。确定固化工艺后，通过热重、差示扫描量热、拉伸强度、冲击强度等热力学性能方面来比较，研究亚胺类杂化物内部结构的不同对环氧树脂改性的影响，最后筛选出最佳制备条件及添加量。关键词：环氧树脂；笼型八聚倍半硅氧烷；复合材料；固化；改性AbstractIIAbstractPhysical and chemical performance improveme
4、nts of epoxy resin is an interesting topic since the properties of unmodified epoxy resin no longer fit the industrial requirements.This article is about to prepare a series of caged octa aminopropyl silsesquioxane which help enhance both thermal and mechanical performance of epoxy resin E44. Moreov
5、er, the interactions between those hybrids and epoxy resin E44 are also explored in this paper.First, a group of Inorganic/organic ethes hybrid materials PTGE are made from POSS-NH2 with different proportions of p-tolyl glycidyl ether(TGE) between 1:6 and 1:14 via open cycloaddition reaction. Then,
6、similarly, a class of imine hybrids PBA、PDABA are produced by the reactions between POSS-NH2 and benzaldehyde(BA)/p-dimethylamino benzaldehyde(DABA) with ratios of 1:5 to 1:8. Once these hybrids are obtained, a serial of statistical tests are employed to explore their attributes, including solubilit
7、y tests、FI-IR 、 1H NMR、TG, etc.After that, a new type of organic/inorganic hybrids modified epoxy composites can be prepared by adding previous ethes hybrid materials PTGE with different quality score between 5% and 20% into epoxy resin E44. In order to find the optimal reaction condition of this co
8、mposites, it is necessary to analyze its properties when solidified, such as curing time and temperature，testing tensile strength、elongation at break、impact strength、DSC、TGA and so on. In addition, X-ray diffraction and scanning electron microscope are useful in studying variation of this composites
9、 internal structure.Then, use the similar approach to make other two target composites, combining imines hybrids PBA、 PDABA and epoxy resin E44. It is because PBA、PDABA are powders that the optimization analysis of their solvency is required. Once curing process is determined, the influence of imine
10、s hybrids internal structure on the modifition of Epoxy can be studied based on their DSC、TGA 、tensile strength、elongation at break、impact strength, etc. Therefore, the optimal reaction condition and amount of added hybrids can be achieved.Keywords: Epoxy resin; Caged octa aminopropyl silsesquioxane
11、; Composites; Solidify; ModifitionAbstractIII目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III第一章绪 论 .11.1 环氧树脂概述 .11.1.1 环氧树脂的定义及特性 .11.1.2 环氧树脂的种类 .11.1.3 环氧树脂的应用 .21.1.4 环氧树脂固化原理、固化剂种类 .41.1.5 环氧树脂的改性 .51.1.6 环氧树脂发展状况 .71.2 POSS 的概述 .71.2.1 POSS 的定义 .71.2.2 POSS 的结构特点 .81.2.3 POSS 的合成方法及应用 .81.2.4 POSS 的应用 .91.2.5 P
12、OSS 的研究与发展 .101.3 POSS 改性环氧树脂的研究 .111.3.1 EP/POSS 复合材料的制备方法 .111.3.2 EP/POSS 复合材料的应用 .121.4 课题背景及意义 .121.4.1 课题背景 .121.4.2 课题意义 .121.5 课题主要工作 .131.5.1 POSS 衍生物的合成研究 .131.5.2 EP/改性 POSS 的制备及测试 .13第二章 改性 POSS 的制备与表征 .142.1 引言 .142.2 实验原料与仪器 .142.2.1 实验原料 .142.2.2 实验仪器 .142.3 醚类 POSS 杂化物的合成与表征方法 .152.3
13、.1 氨基 POSS 的合成 .152.3.2 PTGE 的合成 .152.3.3 产物分析 .15目 录IV2.3.4 结果与讨论 .162.4 亚胺类 POSS 杂化物的合成与表征方法 .182.4.1 PBA、PDABA 的合成 .182.4.2 产物分析 .182.4.3 亚胺类杂化物 PBA、PDABA 的表征分析 .182.5 本章小结 .20第三章 醚类杂化物对环氧树脂 E44 的改性研究 .223.1 引言 .223.2 实验原料与仪器 .223.2.1 实验原料 .223.2.2 实验仪器 .223.3 EP/PTGE 复合材料的制备 .233.4 EP/PTGE 复合材料的
14、性能测试 .233.4.1 拉伸强度测试 .233.4.2 冲击强度测试 .233.4.3 热重分析 .233.4.4 差示扫描量热分析 .233.4.5 维卡软化点 .233.4.6 X 射线衍射分析 .233.4.7 扫描电镜分析 .243.5 结果与讨论 .243.5.1 固化剂用量与固化条件的优化 .243.5.2 拉伸强度 .303.5.3 断裂伸长率 .313.5.4 冲击强度 .313.5.5 热重分析 .323.5.6 差热分析 .333.5.7 维卡软化点 .343.5.8 X 射线衍射分析 .353.5.9 冲击断面形貌分析 .353.6 本章小结 .36第四章 亚胺基杂化
15、物对环氧树脂 E44 的改性研究 .374.1 引言 .374.2 实验原料与仪器 .374.2.1 实验原料 .374.2.2 实验仪器 .374.3 EP/PBA 复合材料的制备 .38目 录V4.4 两种复合材料的表征测试 .384.4.1 固化剂的用量及固化工艺的优化 .384.4.2 拉伸强度测试 .384.4.3 冲击强度测试 .384.4.4 热重分析 .384.4.5 差示扫描量热分析 .384.4.6 涂膜性能测试 .384.5 结果与讨论 .394.5.1 固化温度的确定 .394.5.2 固化动力学研究 .404.5.3 拉伸强度 .434.5.4 断裂伸长率 .444.
16、5.4 冲击强度 .454.5.5 热重分析 .464.5.6 DSC 分析 .474.5.7 涂膜性能分析 .484.6 本章总结 .48第五章 全文总结与展望 .505.1 全文总结 .505.2 展望 .51致 谢 .52参考文献 .53附 录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文 .59第一章 绪 论1第一章 绪 论1.1 环氧树脂概述1.1.1 环氧树脂的定义及特性环氧树脂（Epoxy Resin）指的是一类以芳香族、脂肪族或脂肪环为有机基体骨架，包含有两个或以上的环氧基团，能在化学试剂的作用下与许多有机或无机的活性基团发生反应，形成交联结构的热固性树脂的高分子低聚物 5-7。与其他诸如
17、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，环氧树脂具有以下良好的性能：1）粘接性良好 8。环氧树脂内部具有环氧基等极性基团，具有很高的内聚强度，故当其固化后就具有非常强的粘接性能，可以作为结构胶粘剂来使用。2）化学稳定性高 9。环氧树脂化学稳定性高，在酸、碱、盐等多种介质中的耐腐蚀性能远远优于不饱和树脂或者酚醛树脂。3）固化收缩率低。环氧树脂的固化最主要是由于环氧基团发生的开环加成反应，形成了三维网状结构，所以在固化过程中没有小分子产物生成；并且其本身具有仲羟基，与环氧基固化所产生的部分羟基的氢键作用使得分子进一步紧密排列，故环氧树脂的固化收缩率基本上是所有热固性树脂中最低的种类之一，其固化收缩率一般在 1-2%之间，有的甚至更小 10。4）改性相对容易，环氧树脂与很多热塑性树脂或橡胶弹性体相容性好，甚至能有化学反应产生，可以
