三重形状记忆环氧树脂复合材料的制备及性能研究

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与传统的二重形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers,SMP)相比,最近被报道的三重形状记忆聚合物在航空航天、生物医疗、纺织等领域具有更好的应用前景。为了实现环氧树脂复合材料的三重形状记忆性能,简化三重形状记忆聚合物的制备工艺,本文采用具有良好通用性和较好二重形状记忆性能的环氧树脂为基体,通过结构设计,制备具有三重形状记忆性能的环氧树脂复合材料,以期扩大环氧树脂复合材料在形状记忆领域的应用范围,并为三重形状记忆环氧树脂复合材料的制备提供新的途径。首先,将环氧树脂与不同比例的纳米二氧化硅和聚乙二醇(PEG)混合,制备具有不同玻璃化转变温度的二氧化硅/环氧树脂复合材料。通过优化工艺,改善纳米二氧化硅在环氧树脂中的分散性。并对复合材料的微观形态、热力学性能,二重形状记忆性能等进行表证。在此基础上,选用制备的不同玻璃化转变温度的二重形状记忆环氧树脂复合材料,通过层合复合,制备三重形状记忆环氧树脂复合材料,并对其三重形状记忆性能进行表证。结果表明,制备的复合材料中,二氧化硅粒子分散性良好;通过改变复合材料的组分,可以调控复合材料的玻璃化转变温度;纳米二氧化硅的加入,可以提高环氧树脂复合材料的双重形状记忆性能;通过层合复合后,制备的双层环氧树脂复合材料具有良好的三重形状记忆性能。其次,为了使三重形状记忆环氧树脂复合材料具有更好的环保性能和生物相容性,采用两种方法制备了聚己内酯(PCL)/环氧树脂复合材料。一是将不同质量的PCL与环氧树脂共混,制备PCL/环氧树脂共混复合材料,二是改变目前三重形状记忆聚合物及复合材料只是聚合物的共混或颗粒填充复合材料的现状,制备了PCL纤维膜/环氧树脂复合材料,探索其具有三重形状记忆性能的可能性。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和差示扫描量热仪(DSC)、动态热机械分析仪(DMA)对两种PCL/环氧树脂复合材料的微观结构、热机械性能和三重形状记忆性能进行了对比分析,结果显示,两种复合材料在形貌上差别明显,在三重形状记忆性能上差别很大;PCL/环氧树脂共混复合材料的微观相不连续,且不具备三重形状记忆性能;而PCL纤维膜/环氧树脂复合材料中,PCL与环氧树脂形成了贯穿,复合材料具有良好的三重形状记忆性能,但形状固定率有待进一步提高。再次,为了进一步提高PCL纤维膜/环氧树脂三重形状记忆复合材料的形状固定率,以蒙脱土为改性剂,对PCL纤维膜进行改性。利用FE-SEM、透射电子显微镜(TEM)对PCL纤维膜的微观结构进行了观察,确认了PCL纤维膜中蒙脱土的存在。利用改性的PCL纤维膜与环氧树脂复合,制备复合材料,利用DSC和DMA分析材料的热机械性能和三重形状记忆性能。结果表明,在PCL纤维膜中加入适量的蒙脱土可以提高PCL纤维膜/环氧树脂复合材料的三重形状记忆性能,PCL中蒙脱土含量为3 wt%的PCL纤维膜/环氧树脂复合材料的两次热转变最为明显,焓值最大,三重形状记忆性能明显优于不含蒙脱土的PCL纤维膜/环氧树脂复合材料。
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