高效相转移法制备纳米改性耐高温环氧树脂及其在高性能多尺度复合材料中的应用

Nanomaterials are difficult to disperse uniformly in epoxy resin. Usually, large amount of organic solvents were used and ultrasonication or strong shear stirring are required for the uniform dispersion of nanomaterials in epoxy oligomers. We recently discovered unexpectedly that by using glycidyl amine type epoxy resin as a new phase transfer agent, oxidized carbonous nanomaterials and pristine montmorillonite can be transferred from water to epoxy resin by manual stirring for ~30 sec to several minutes under ambient conditions. The dispersion of nanomaterials is very uniform, and the mechanical properties of multi-scale carbon fiber- reinforced composites are greatly improved, which is higher than those reported in the literature. We will illuminate the mechanism for the high efficient phase transfer phenomenon and select or design and synthesis modified epoxy compounds as new phase transfer agent and surfactants that can be used to disperse low-cost nanomaterials or sub-micrometer materials in epoxy uniformly for the preparation of high performance multiscale composites. The influence of morphology, size, content as well as the surface properties of the nanomaterials on the microstructure and properties of multiscale composites will be systematically investigated. This simple, high efficient and green dispersion method together with the present techniques for multiscale composite fabrication will definitely promote the development of high performance and low-cost multiscale composites in our country.

纳米材料在环氧树脂中分散比较困难，通常需借助有机溶剂并长时间超声或强剪切。我们最近意外地发现，直接以缩水甘油胺型环氧树脂作为相转移剂，室温下手动搅拌30秒至数分钟就能使各种氧化纳米碳材料及钠基蒙脱土100%从水相转移至树脂相，分散非常均匀并能显著增加碳纤维复合材料的性能，其增幅优于国外的报道。与普通表面活性剂不同，缩水甘油胺型环氧树脂既是高效相转移剂又可作为耐高温基体。本项目将系统研究并阐明相转移现象的机理，通过界面设计和调控，实现多种纳米/亚微米材料向环氧树脂的高效相转移和均匀分散；然后制备碳纤维多尺度复合材料，考察纳米/亚微米材料的形貌、表面处理方法、含量及树脂体系的组成等因素对复合材料微观结构及宏观性能的影响规律。本项目为纳米改性耐高温环氧树脂提供一种新的简便、高效、绿色的加工方法，并能与现有的多尺度复合材料制备技术相结合，共同推动我国多尺度复合材料向高性能化和实用化的方向发展。

纳米材料在环氧树脂中均匀分散并具有良好的界面相容性是纳米复合材料以及多尺度碳纤维增强复合材料成功的关键。本项目采用了新型相转移法将具有表面活性的氧化石墨烯、碳纳米纤维、黏土、芳纶纳米纤维以及纳米二氧化硅修饰的粗糙片状氧化铝从水相转移到环氧树脂中，不仅克服了传统复合方法中使用有机溶剂的缺点，而且能够有效地提高纳米材料的分散均匀性以及纳米复合材料的力学性能，对于多尺度复合材料的层间剪切性能的提高也能发挥显著的作用。进一步发现具有水溶性的磺酸取代全芳香族聚酰胺能够也能够以相转移方法从水相转移至环氧树脂中，并且以分子水平分散在环氧树脂基体中，固化后形成刚性棒状大分子增强的热固性树脂分子复合材料。该新型分子复合材料能够显著提升环氧树脂的力学性能，最高拉伸强度达到了120MPa，其增强效果甚至超过了氧化石墨烯、碳纳米管、黏土等纳米材料对环氧树脂的增强效果。该结果将分子复合材料的研究从传统的热塑性聚合物拓展到热固性树脂体系以及碳纤维增强复合材料体系中，具有比较重要的理论意义和应用价值。总之，本研究利用相转移法将可在水中分散的纤维状或者片状纳米材料或者刚性棒状液晶大分子转移到环氧树脂单体中，使其获得均匀分散，避免团聚，为高性能纳米复合材料和分子复合材料的制备提供了一个新的思路，具有比较重要的科学意义和应用价值。