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本论文以相差光学显微镜、扫描电子显微镜和时间分辨光散射为主要研究手段,通过原位跟踪和断面观察相结合的方法,研究了环氧/热塑性树脂共混体系反应诱导相分离中分相的动力学过程及形貌结构的演变。研究中考察了多种不同的热塑性树脂共混体系,其中以环氧(DGEBA)/聚砜(PSF)共混体系的研究为主,固化剂为芳香胺类DDS。
在DGEBA/DDS/PSF共混体系中,随着聚砜浓度的增加,观察到三种比较典型的形貌结构:聚砜浓度较低(w≤0.11)时,形成聚砜富集相颗粒分散在环氧基体中的海岛状结构;聚砜浓度较高(w≥0.17)时,聚砜形成连续的网络状结构,环氧形成相互连接的球状结构被包覆其中;聚砜浓度居中(0.13≤w≤0.15)时,整个样品呈现为三层结构,上下两层为聚砜颗粒稀疏地分散在环氧基体中的结构,中间层为聚砜连续相包覆未连接的环氧球或少量大的环氧相的结构。由于聚砜具有比较高的分子量和玻璃化转变温度,而凝胶化发生之前的环氧树脂分子量及玻璃化转变温度均较低,因此,实验中所观察的体系为动力学不对称体系。不同聚砜浓度样品的分相过程中均有显著的动力学不对称相分离现象。在较低和较高的聚砜浓度下,相分离过程中均产生了比较明显的慢动力学组分聚砜富集相体积收缩现象。中间聚砜浓度下,通过对反应体系动力学不对称相分离研究,详细分析了三层结构形成的过程,明确了其形成原因及机理。相分离初期,双连续结构形成。之后,由于环氧富集相的快速增长和融合,连续的聚砜富集相网络结构的增长跟不上相分离的进行而产生应力,从而开始收缩。随着相分离的进行和聚砜富集相的收缩,形成的大尺寸环氧富集相逐渐流出,三层结构形成。三层结构形成的根本原因是体系动力学不对称性、相分离过程中慢动力学组分的收缩(体积分数降低)和快动力学组分的流动。
层状结构的形成在环氧/热塑性树脂共混体系中有一定普适性,当共混体系中组分间动力学差异很大时,均有层状结构的形成,并且动力学差异越大,三层结构越容易产生(对应的样品浓度范围变宽且初始浓度降低)。对相应体系进行流变学研究,发现相分离开始的一段时间内出现了流变参数(如模量或复合粘度)突然增大,数分钟后,又突然降低的现象。该现象在时间尺度上与形貌结构的发展能够很好对应。