中空多壳层TiO2填充对环氧树脂复合材料力学性能的影响

doi:10.7503/cjcu20210378

摘要/Abstract

摘要：

为改善环氧树脂(EP)材料的力学性能, 采用次序模板法合成了TiO₂中空多壳层结构(HoMS)材料, 利用偶联剂对获得的TiO₂HoMSs进行接枝改性后填充到EP中, 制备了TiO₂HoMSs/EP复合材料; 并与单壳层TiO₂中空结构进行比较, 研究了壳层数和偶联剂改性对复合材料力学性能的影响规律. 结果表明, 随着壳层数的增加, 复合材料的力学性能增强, 并且偶联剂改性的TiO₂ HoMSs可进一步提高复合材料的力学性能. 在该体系中, 经硅烷偶联剂KH-560改性后的三壳层TiO₂ HoMSs(3S-TiO₂ HoMSs)/EP复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度可分别达到71.66 MPa, 7.4%和35.81 kJ/m². 扫描电子显微镜(SEM)断面形貌表征结果显示, 相较于纯EP材料, TiO₂HoMSs/EP复合材料的断面更加粗糙, 说明TiO₂HoMSs材料起到了吸收外界应力和阻碍裂纹扩展的作用, 提高了复合材料的韧性, 提升了复合材料的冲击性能.

关键词: 中空多壳层结构, TiO₂, 环氧树脂, 偶联剂, 力学性能

Abstract:

In order to improve the mechanical properties of epoxy resin（EP）， TiO₂ hollow multi-shelled structures （HoMSs） were synthesized by sequential templating approach， and then coupling agents were used to graft the obtained HoMSs. After that， the modified TiO₂ HoMSs were filled into the EP to prepare TiO₂ HoMSs/EP composites， which were compared with single-shelled TiO₂/EP composites. The effects of shell number and coupling agent modification on the mechanical properties of the composites were studied. It is demonstrated that the mechanical properties of the composites increase as the number of shells increases， and can be further improved by modifying TiO₂ HoMSs with coupling agents. The tensile strength， elongation at break and impact strength of silane coupling agent KH-560 modified triple-shelled TiO₂ HoMSs/EP composites can reach 71.66 MPa， 7.4% and 35.81 kJ/m²， respectively. Scanning electron microscopy（SEM） images exhibit that the TiO₂ HoMSs/EP composites possess the rougher cross section than that of pure EP， which illustrates that HoMSs can absorb the external stress and hinder the crack propagation to improve the toughness of the composites and enhance the impact strength of the composites.

Key words: Hollow multi-shelled structure, TiO₂, Epoxy resin, Coupling agent, Mechanical property

中图分类号:

O631.1

TrendMD:

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图/表 6

Fig.1 TEM(A―C) and SEM(D―F) images of TiO2 hollow spheres with different shell numbers(A, D) single?shelled(1S?TiO2 HSs); (B, E) double?shelled(2S?TiO2 HoMSs); (C, F) triple?shelled(3S?TiO2 HoMSs).

Fig.2 XRD patterns of TiO2 hollow spheres with different shell numbers

Fig.3 FTIR spectra of TiO2 hollow spheres with different shell numbers modified by silane coupling agent KH?560(A) and titanate coupling agent NDZ?201(B)

Fig.4 Tensile strength(A), elongation at break(B) and impact strength(C) of different TiO2/EP composites under different modification conditionsa. Pure EP; b. unmodified; c. KH?560 modified; d. NDZ?201 modified.

Fig.5 Influence of different filler content on the impact strength of 3S?TiO2 HoMSs/epoxy resin composites

Fig.6 SEM images of impact section of 3S?TiO2 HoMSs/epoxy resin composites(A) Pure epoxy resin materials; (B) 3S?TiO2 HoMSs/epoxy resin materials(unmodified); (C) 3S?TiO2 HoMSs/epoxy resin materials (modified by titanate coupling agent NDZ?201); (D) 3S?TiO2 HoMSs/epoxy resin materials(modified by silane coupling agent KH?560).

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中空多壳层TiO₂填充对环氧树脂复合材料力学性能的影响

Effect of Hollow Multi-shelled TiO₂ on Mechanical Properties of Epoxy Resin Composites

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