摘　要：采用硬脂酸和兩種硅烷偶聯劑分別對硅灰石進行了表面改性，研究了不同改性劑的改性效果及不同用量的改性硅灰石對環氧樹脂復合材料力學性能的影響；并對硅灰石增韌環氧樹脂復合材料沖擊斷面形貌進行了分析。結果表明：硬脂酸改性硅灰石的改性效果好，其改性表面接觸角大可達140°，與環氧樹脂的相容性得到改善，復合材料的韌性明顯提高。當硬脂酸改性硅灰石用量為環氧樹脂質量的10％時，拉伸強度提高47.79％，沖擊強度提高47.95％。
關鍵詞：環氧樹脂；硅灰石；表面改性；增韌；力學性能

　　環氧樹脂是一種應用非常廣泛的基體樹脂，固化過程收縮率小，固化產物具有優異的耐熱性、耐化學腐蝕性、耐老化性，電性能好，機械強度高和對基材的黏附性能好，是熱固性樹脂中用量大的品種之一，在膠黏劑、涂料、密封膠和復合材料方面有廣泛應用。但也存在固化產物脆性大、韌性差、耐疲勞性不足等，難以滿足工業需求，使其使用受到限制，因此需要對環氧樹脂進行增韌改性。
　　目前，對環氧樹脂增韌的方法很多。硅灰石是一種無機針狀或放射狀礦物，其主要化學成分為CaSiO₃，廣泛應用于塑料、橡膠、油漆、涂料等領域，可增加制品的硬度、彎曲強度、沖擊強度，提高制品熱穩定性和尺寸穩定性，具有發展前途。但硅灰石與有機聚合物也存在相容性的問題，共混時在聚合物中分散不均，工藝性變差，導致制品力學性能下降，限制了硅灰石在聚合物中的應用 。因此需要對硅灰石進行表面改性，改善其與聚合物的相容性，提高其分散性和加工成型性，增強其與聚合物界面結合力，提高材料的機械性能和降低生產成本。硅灰石表面含有Si―O鍵和Si―OH鍵，能與硅烷偶聯劑形成化學鍵和作用 ，這是對硅灰石進行表面改性的基礎。本研究采用微米級改性硅灰石對環氧樹脂進行增韌改性，研究硅灰石表面改性方法及改性硅灰石用量對環氧樹脂的力學性能的影響。

1　實驗部分

1.1　試驗原料
　　硅灰石：1250目，長徑比15:1～17:1，江西奧特精細粉體有限公司；雙酚A型環氧樹脂：GELR-127，臺灣宏昌公司；固化劑甲基四氫苯酐(METH-PA)，浙江嘉興清洋化工有限公司；促進劑(AO―1)：上海壯景化工有限公司；引發劑(一縮二乙二醇)：上海凌峰化學試劑有限公司； 偶聯劑(KH550、KH560)：上海九邦化工有限公司；硬脂酸(SA)：上海凌峰化學試劑有限公司。
1.2　試驗設備
　　真空烘箱：DAF-6050，上海―恒科技有限公司；電磁攪拌機：JJ-1精密增力電動攪拌器；三輥研磨機：QGM-65，上海精密儀器儀表有限公司；接觸角測試儀：JC2000D3，上海中晨數字技術設備有限公司；壓片機：HY-12，天津天光光學儀器有限公司；掃描電鏡：JSM-6360LV， 日本JEOL公司；拉力機：CMT5202，深圳市新三思材料檢測有限公司；沖擊試驗機：JB-300B，上海久濱儀器有限公司；
1.3　硅灰石的表面改性
1.3.1　改性方案
　　稱取一定量的硅灰石(使用前在120 干燥12h)，加入三口燒瓶，燒瓶固定于恒溫水浴鍋中，在80℃ 水浴中活化30 min，攪拌速度為800 r／min。將一定量的改性劑緩慢加入燒瓶中，同時攪拌20 min，降至室溫，即得到干法改性粉體。
1.3.2 改性效果評價
　　沉降體積法：稱取2 g改性硅灰石置于25 mL量筒中，加人20 mL苯，強力攪拌1 min，靜置30 S后讀取界面高度。在相同條件下，界面高度越大，說明改性效果越好。
　　接觸角：稱取2 g硅灰石粉壓片，用JC2000D3型接觸角測試儀測量改性硅灰石與水面接觸角。與未改性硅灰石相比，接觸角變大，說明改性硅灰石親油性增強，且接觸角越大改性效果越好。
1.4　改性硅灰石增韌環氧樹脂
1.4.1　實驗方案
　　稱取一定量的改性硅灰石加入環氧樹脂中，使用輥研磨機研磨3 h，使硅灰石充分分散，制成一定固含量的環氧樹脂／改性硅灰石母料。按計量比加入環氧樹脂、固化劑和促進劑等，加入到500 mL三口燒瓶中，在85℃水浴中攪拌1 h，趁熱倒入模具，將模具置于真空烘箱中在85℃、-71 kPa條件下脫氣泡1 h，升溫至120℃、-51 kPa，預固化1 h，升溫至150℃、-51 kPa后固化2 h，緩慢冷卻至室溫，脫模，取出樣條進行力學性能測試。
1.4.2　材料性能檢測
　　按GB／T 1043.1―2008進行無缺口沖擊強度測試；按GB／T 2568-1995進行拉伸強度測試。采用掃描電鏡觀察環氧樹脂沖擊斷面形貌。

2　結果與討論

2.1　改性劑用量對硅灰石表面改性的影響分別加入質量分數(占硅灰石質量)為0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％和2.5％的硬脂酸、硅烷偶聯劑KH550和KH560，其他條件不變，對硅灰石進行表面改性。樣品在二甲苯中沉降體積和接觸角分別如圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出，隨改性劑用量的增加，改性效果提升很快，硬脂酸用量為2％，硅烷偶聯劑KH550用量為2.5％，KH560用量為2％時改性效果好。

2.2　改性硅灰石增韌環氧樹脂
　　圖3為硅灰石用量對增韌環氧樹脂沖擊強度和拉伸強度的影響。從圖中可以看出，環氧樹脂復合材料的拉伸強度和沖擊強度隨改性硅灰石加入量的增加先升后降。改性硅灰石用量為環氧樹脂用量的10％時，改性效果好，且硬脂酸改性硅灰石增韌效果佳，硅烷偶聯劑KH550改性硅灰石增韌效果次之?？瞻篆h氧樹脂復合材料的拉伸強度為62.57 MPa，沖擊強度為12.43 kJ／m²。當硬脂酸改性硅灰石的加入量為10％時，拉伸強度達到92.47 MPa，沖擊強度為21.07 kJ／m²，均有明顯提高。當改性硅灰石用量超過10％時，隨硅灰石用量的增加，拉伸強度和沖擊強度逐漸降低，這是由于硅灰石用量過多時易發生團聚，造成應力集中，體系受力不均，導致力學性能下降。

2.3　硅灰石增韌環氧樹脂體系斷面形貌分析

　　圖4為硅灰石增韌環氧樹脂體系斷面形貌的SEM圖。從圖4b可以看出，由于硅灰石的存在，環氧樹脂復合材料沖擊斷面出現大量的裂紋和空穴，斷裂時會吸收大量能量．因此韌性提高  比較圖4b和圖4c，可以看出，硅灰石經改性后，在環氧樹脂中分散性改善，與基體樹脂的相容性變好，界面黏結性提高，因此在斷裂時可以吸收更多的能量，因此沖擊強度更高。原因在于：1)經改性的硅灰石與環氧樹脂相容性增加．界面性能改善，在受到沖擊時可以起到分散應力和吸收能量的作用：2)硅灰石在環氧樹脂基體中作為應力集中點，在基體受到沖擊時引發周圍樹脂基體屈服，產生裂紋，吸收大量能量，同時剛性粒子會阻止裂紋的擴展，避免基體的破壞。硅灰右的表面改性效果雖然與改性環氧樹脂復合材料機械強度沒有直接關系，但改性硅灰石增韌環氧樹脂體系拉伸強度和沖擊強度均有明顯改善。

3　結論

　　1)硬脂酸、硅烷偶聯劑KH550和KH560對硅灰石的改性效果為：硬脂酸優于硅烷偶聯劑KH550，硅烷偶聯劑KH550優于硅烷偶聯劑KH560。
　　2)與未經改性處理的硅灰石相比．改性硅灰石與環氧樹脂相容性提高，界面性能改善。改性硅灰石可以顯著提高環氧樹脂復合材料的拉伸強度和沖擊強度。
　　3)與純環氧樹脂和未改性硅灰石增韌環氧樹脂相比，改性硅灰石增韌環氧樹脂沖擊斷面呈現韌性斷裂，硅灰石在環氧樹脂中分散程度提高。