相结构调控法制备环氧/聚醚酰亚胺复合材料的摩擦学性能研究

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聚合物耐磨复合材料在国民经济领域的应用越来越多,如何使用通用高分子材料制备出高性能的耐磨材料受到不少学者的关注。本论文以通用高分子环氧树脂(EP)为基体,采取高分子化学和物理手段相结合的方法,成功地设计并制备出可一定程度上选择性地将固体润滑剂或增强剂控制在相结构中的高性能环氧树脂耐磨复合材料。采用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、拉曼光谱仪(Raman)、热重分析仪(TGA)、动态力学分析仪(DMA)、扫描电子显微镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)对EP复合材料及其磨损面和磨屑的组成及形貌进行了表征和观察;采用万能材料试验机和往复式摩擦试验仪对EP复合材料的力学和摩擦学性能进行了评价。结合EP复合材料的结构和力学及摩擦学性能的关系,深入探讨了相关机理。论文取得的主要研究结果如下:1.提出了通过控制EP/聚醚酰亚胺(PEI)改性体系相结构对固化产物摩擦学性能进行调控的设计方案,并验证了方案的有效性。不同相结构固化产物摩擦系数及磨损率的排序是:双连续相结构≈反转相结构<分散相结构<EP。2.利用反应诱导相分离初期PEI与EP相粘度的差异,成功地将固体润滑剂-石墨控制在PEI相中,避免润滑剂分散在EP相中对EP力学性能造成不利影响,制备出润滑剂分散状态一定程度上可控的耐磨复合材料。实现了仅4.0wt%石墨添加的固体润滑剂含量,就可以使DGEBA/DDS/PEI/石墨复合材料的性能得到大幅改善的好结果:其摩擦系数和磨损率为0.27和9.7×10-6mm3×(Nm)-1,比未加石墨的样品(0.81和8.9×10-4mm3×(Nm)-1)分别降低了67%和两个数量级;材料的拉伸强度及弯曲强度分别比DGEBA/DDS提高了52%和10%。3.采用主链含有少量仲酰胺基团的PEI(PEAI)接枝的石墨烯(GNs)(PEAI-g-GNs)对DGEBA/DDS进行改性,制各出可将GNs单独分散在PEAI相结构中的复合材料。结果表明,采用PEAIPEAI-g-GNs(PEAI占99.0wt%,PEAI-g-GNs占1.0wt%)联合改性DGEBA/DDS复合材料的摩擦系数及磨损率分别为0.61和5.8x10-5rm3×(Nm)-1,比DGEBA/DDS分别降低了25%和超过一个数量级。其拉伸强度及弯曲强度分别比DGEBA/DDS提高了66%和28%。综上所述,本研究采用物理及化学两种方法对成功制备了2种润滑剂或增强剂的分散状态一定程度上可控的耐磨复合材料。该复合材料比采用传统方法制备的润滑剂或增强剂分散在整个树脂基体的复合材料具有更佳的力学及摩擦学性能。
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