二氧化硅纳米颗粒在环氧树脂/热塑性塑料混合物中的选择性分布及其对机械性能的影响

《Journal of Applied Polymer Science》：Selective Distribution of Silica Nanoparticles in Epoxy/Thermoplastic Blends and Its Impact on Mechanical Properties

环氧树脂与热塑性树脂纳米复合体系中原子的分布机制及性能影响研究。通过对比不同固化条件（100/120/160℃）下EP/PEI体系纳米SiO2的相分离行为，发现表面修饰（如KH-550改性）显著影响纳米粒子在双相结构中的选择性分布：高温固化（120+160℃）下亲水纳米SiO2富集于EP相，疏水改性纳米SiO2迁移至PEI相；低温长时固化（100℃/10h）形成海岛结构。动态力学分析表明单相纳米团聚导致储存模量和玻璃化转变温度降低，而PEI相纳米富集使硬度提升22.5%。研究揭示了固化温度与表面修饰协同调控纳米分布的机制，为优化复合材料力学性能提供新策略。

　　

摘要

作为应用最广泛的热固性树脂之一，环氧（EP）树脂的性能优化一直是研究的重点。EP/热塑性（TP）纳米粒子体系因其对聚合物性能的潜在协同效应而受到关注。然而，由于纳米粒子分布机制尚不明确，其力学性能尚未得到充分研究。在本研究中，首先比较了环氧树脂与不同热塑性树脂形成的双相结构，随后探讨了在不同固化条件和表面特性下纳米粒子在EP/TP混合物中的选择性分布行为，以及这种分布对动态力学性能和硬度的影响。基于研究结果，选择了EP/聚醚酰亚胺（PEI）混合物作为后续研究对象，因为该体系具有较大的双相结构且没有明显的次级相分离现象。在高温度固化（120°C/1小时 + 160°C/4小时）条件下，亲水性纳米SiO₂由于热力学作用优先聚集在EP相中，而亲脂性的KH-550改性纳米SiO₂则迁移到PEI相中。较低的温度（100°C/10小时）条件下，纳米粒子的迁移主要受动力学控制，导致改性纳米SiO₂重新分布到EP相中，并使相形态变为海岛结构。动态力学分析表明，纳米粒子在某一相中的局部聚集会降低储能模量和玻璃化转变温度；其中EP/PEI-SiO₂-KH550混合物的玻璃化转变温度显著降低。相反，由于PEI相中纳米粒子聚集密度较高，其硬度增加了22.5%。这些发现强调了固化条件和表面改性在调控EP/TP混合物中纳米粒子分布方面的重要作用，为理解其出人意料的力学性能提供了宝贵信息，并为改进制备策略提供了依据。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。