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碳纖維/環氧樹脂基復合材料增韌改性的研究進展（二）
1 環氧樹脂增韌改性
1.1納米材料改性環氧樹脂
近年來，納米材料(NMs)因其納米級特性而在各個領域發揮了積極作用。NMs表面的活性基團可以與環氧樹脂相互作用，形成NMs與環氧樹脂之間的良好界面。外力將納米顆粒傳遞到周圍環境，并在環氧樹脂基體中引起微裂紋，這些裂紋吸收能量以增韌環氧樹脂基體。另一方面，納米顆粒可以看作是分子鏈的物理交聯關節，以阻礙微裂紋的傳播。
Dong等7在環氧樹脂中加入多壁碳納米管(MWCNTs)以提高塊狀環氧樹脂的斷裂韌性，同時也用作碳纖維增強環氧樹脂復合材料(CFRP)的基體。在塊體環氧樹脂和CFRPs中摻入MWCNTs適度增加了I型斷裂能，顯著提高了Ⅱ型斷裂能，添加了0.5wt%MWCNTs后CFRPs的平均Ⅱ型斷裂能從2026J/m2開始增加至3406J/m2。Shi等通過在環氧樹脂基體中加入各種含量的MgO顆粒，系統研究了微納米級氧化鎂(MgO)顆粒對碳纖維/環氧樹脂復合材料力學性能的影響。研究發現，填充納米MgO顆粒的碳纖維/環氧樹脂復合材料比填充微氧化鎂顆粒的碳纖維/環氧樹脂復合材料具有更高的機械強度。通過添加適當含量的納米MgO顆粒，可以增強沖擊強度和彎曲強度。
1.2熱塑性樹脂改性環氧樹脂
在CFRP中加入熱塑性樹脂(TP)是提高斷裂韌性和抗沖擊性的常用方法，它可以提高環氧樹脂的斷裂韌性，而不會降低熱性能或彈性模量。熱塑性樹脂與環氧樹脂相分離形成的雙相結構是環氧基復合材料中熱塑性樹脂交錯的主要增韌機理。如聚醚醚酮(PEEK)、聚碳酸酯(PC),通過熔融共混或溶液共混法與環氧樹脂混合，可以改善材料的韌性。
Yao等將熱塑性樹脂PEK-C與環氧樹脂共混或以顆粒和薄膜的形式作為中間層制備，以增強 斷裂韌性，PEK-C薄膜和模式I的層間斷裂韌性(G)在薄膜厚度為10μm時增加了157.2%。通過 采用PEK-C薄膜作為夾層，提高了CFRP的層間斷裂韌性。平均值G?固化時間0.5h、1h、2h和 3h分別提高了61.77%、90.65%、50.58%和9.37%。固化時間的增加削弱了PEK-C薄膜的增韌效果。Wu等開發了一種新型原位型熱塑性增韌劑聚三唑砜型聚合物(PTS),它可以以單體形式使用，以保持環氧樹脂的粘度，并在環氧樹脂固化過程中通過疊氮化物-炔烴點擊反應聚合。這種新型增韌劑可以成功提高環氧樹脂或碳纖維/環氧樹脂復合材料的斷裂韌性。
盡管熱塑性塑料已經取得了***的進展，但TP對EP的強化仍然是一個挑戰。TPs增韌環氧樹脂體系的比較好韌性提高是通過獲得共連續或相倒置形態來實現的。為了獲得更好的增韌效果，具有優異熱穩定性的TP應可溶于未固化的環氧樹脂。固化過程中必須分離相以形成多相形態。此外，增韌體系必須完全固化，以盡量減少未反應官能團引入的結構弱點。
1.3橡膠彈性體改性環氧樹脂
用橡膠增韌EP是非均相增韌體系中的傳統方法之一。液態橡膠的添加抑制了熱塑性材料的裂紋擴展。一般來說，橡膠增韌EP可分為反應性液體橡膠和橡膠顆粒。已經開發了許多方法來增韌環氧樹脂，其中摻入液體橡膠，如丁二烯丙烯腈共聚物，羥基封端聚丁二烯(HTPB)和天然橡膠，似乎是**成功的方法。眾所周知，兩種具有相似溶解度參數的材料應該相互兼容。官能團化可以增加官能化橡膠的內聚能，從而增加溶解度參數，從而增加環氧樹脂與橡膠之間的相容性。
Zhao等以羧基封端丁二烯丙烯腈(CTBN)為增韌劑，制備了一種高韌性環氧樹脂，對AG-80環氧樹脂進行了改性。系統研究了復合材料基體力學性能、CFs表面性能、拉伸性能和斷裂形貌等因素，闡明了影響高性能CF/EP復合材料界面粘接的關鍵因素。結果表明，當環氧樹脂中CTBN含量為6.90wt.%時，韌性提高**為***。由于T800SC具有高含量的極性官能團和優異的表面潤濕性，T800SC/EP復合材料與T800HB/EP復合材料相比表現出優異的機械性能。Xu等制備了一種原位預交聯的CTBN/環氧樹脂共混物，與傳統的CTBN改性共混物相比，具有更好的機械性能。在預交聯的CTBN/環氧樹脂共混物中形成了局部互穿結構，**提高了兩相之間的相容性和界面粘附性，從而使共混物具有良好的力學性能。然而，所使用的橡膠丙烯腈含量高(25%),因此可與環氧樹脂混溶。
1.4嵌段共聚物改性環氧樹脂
與其他增韌材料不同，嵌段共聚物(BCP)的分子結構可以很容易地控制，以在納米尺度上制造球形、棒狀、層狀和其他分離的相形態。非反應性和反應性嵌段共聚物都可以添加到環氧樹脂中，以提高韌性。非反應性BCP可以通過自組裝或反應誘導的相分離形成不同的納米結構，如雙層囊泡、蠕蟲和球形膠束，從而產生不同的增韌效果。反應性BCP可以與環氧樹脂反應或交聯。在這種情況下，嵌段共聚夾雜物與環氧樹脂的共價鍵為比較大限度地提高斷裂韌性提供了機會。研究的主要共聚物包括兩親性和化學修飾的二嵌段或三嵌段共聚物作為環氧樹脂增韌劑。
Xi等研究合成了一系列己二酸-聚氧丙二胺共聚物(AA-PPA),其中聚氧丙二胺(PPA D400)和己二酸(AA)排列有序排列。帶M的AA-PPAw=10400和Mn=7600用于增韌DGEBA環氧樹脂/DDM體系。通過改變AA-PPA的添加量，增強了固化環氧樹脂從脆性斷裂向韌性斷裂的斷裂和抗沖擊能力。力學性能，包括斷裂伸長率和沖擊強度均顯著提高。Chen等采用生物基聚氧丙二胺D400與己二酸的鏈式延伸反應制備的PPA2000對環氧樹脂進行了改性。結果發現PPA2000含量高達25.3wt%,抗拉強度仍達到59.25Mpa。總之，PPA2000樹脂和環氧樹脂之間形成的新的分子間氫鍵為復合材料在強度和斷裂韌性同步增強方面帶來了***的優勢。
（未完待續）
來源：紡織科學與工程學報，四川大學輕工科學與工程學院，四川環龍技術織物有限公司，邁愛德編輯整理
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