环氧树脂/纳米纤维素复合材料的制备与性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.010

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (11): 67-72.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.010

环氧树脂/纳米纤维素复合材料的制备与性能研究

张克宏(), 褚承祥, 刘孝龙

安徽农业大学轻纺工程与艺术学院，安徽合肥 230036

收稿日期:2022-08-14 出版日期:2022-11-26 发布日期:2022-11-25
作者简介:张克宏（1977—），男，副教授，从事聚合物功能材料研究，zkh@ahau.edu.cn
基金资助:
安徽省自然科学基金面上项目(1908085ME154);近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室2020年度开放课题(S1?KF2003);安徽省级教学示范课《包装材料学》(2020SJJXSFK09)

Preparation and properties of epoxy resin/cellulose nanofiber composites

ZHANG Kehong(), CHU Chengxiang, LIU Xiaolong

Textile Engineering and Academy of Art，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China

Received:2022-08-14 Online:2022-11-26 Published:2022-11-25

摘要/Abstract

摘要：

以木粉为原料制备纳米纤维素（CNF），经甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）改性后采用溶液共混法与环氧树脂（EP）复合，制得EP/CNF⁃GMA复合材料；通过对EP/CNF、EP/CNF⁃GMA复合材料力学性能、透光性能、亲水性、热稳定性和微观结构的表征，研究了CNF和GMA含量对复合材料性能的影响及其机理。结果表明，EP/CNF复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、透光率随CNF含量的增大呈先增后减的变化趋势，亲水性随CNF含量的增大而增大；CNF含量为0.6 %（质量分数，下同）时，EP/CNF复合材料性能最优，拉伸强度为32.166 MPa，断裂伸长率为20.995 %，600 nm处透光率为79.8 %，接触角为77.34°。经GMA改性后，CNF与EP的相容性得到了改善，提升了EP/CNF复合材料的力学性能和热稳定性；随GMA含量的增加，EP/CNF⁃GMA复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、透光率和亲水性均发生变化；GMA含量为4.8 %时EP/CNF⁃GMA复合材料性能最佳，拉伸强度为57.933 MPa，断裂伸长率为18.762 %，600 nm处透光率为86.3 %，接触角为81.42 °。

关键词: 纳米纤维素, 环氧树脂, 甲基丙烯酸缩水甘油酯, 复合材料

Abstract:

Cellulose nanofibers （CNF） were prepared using wood powders as a raw material， and then the epoxy （EP）⁃based composites with the glycidyl methacrylate （GMA）⁃modified CNF were prepared using a solution casting method. The effect of CNF and GMA contents on the properties and mechanisms of the composites were investigated through characterizing their mechanical properties， light transmission properties， hydrophilic properties， thermal stability， and microstructure. The results indicated that the EP/CNF composites exhibited an increase at first and then a decrease in tensile strength， elongation at break， and light transmittance with an increase in the CNF content， and their hydrophilic property increased with the CNF content. The EP/CNF composites obtained optimal performance at a CNF content of 0.6 wt%， resulting in tensile strength of 32.166 MPa， elongation at break of 20.995 %， and light transmittance of 79.8 % at 600 nm， and a contact angle of 77.34°. The compatibility between the GMA⁃modified CNF and EP was improved， leading to an enhancement in the mechanical properties and thermal stability of the composites. Their tensile strength， elongation at break， light transmittance， and hydrophilic property varied with an increase in the GMA content. The EP/GMA⁃modified CNF composites exhibited optimal performance at a GMA content of 4.8 wt%， resulting in tensile strength of 57.933 MPa， elongation at break of 18.762 %， light transmittance of 86.3 % at 600 nm， and a contact angle of 81.42°.

Key words: cellulose nanofiber, epoxy resin, glycidyl methacrylate, composite

中图分类号:

TQ323.5

张克宏, 褚承祥, 刘孝龙. 环氧树脂/纳米纤维素复合材料的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(11): 67-72.

ZHANG Kehong, CHU Chengxiang, LIU Xiaolong. Preparation and properties of epoxy resin/cellulose nanofiber composites[J]. China Plastics, 2022, 36(11): 67-72.

图/表 8

图1 木粉溶液与不同处理方式下得到的CNF溶液

Fig.1 Wood powder solution and CNF solution obtained through different treatments

图2 复合材料的拉伸性能

Fig.2 Tensile properties of the composites

图3 复合材料的透光率

Fig.3 Light transmittance of the composites

图4 复合材料的接触角

Fig.4 Contact angle of the composites

图5 复合材料的FTIR谱图

Fig.5 FTIR spectra of the composites

图6 样品的TG和DTG曲线

Fig.6 TG and DTG curves of the samples

样品	初始分解温度/℃	最大质量损失速率温度/℃
CNF	232	336
EP	323	378
EP/CNF⁃0.6	318	380
EP/CNF⁃0.6⁃GMA⁃4.8	316	379

表1 样品的热力学性能

Tab.1 Thermodynamic properties of the samples

图7 样品的SEM照片

Fig.7 SEM images of the samples

参考文献 14

1	Brantseva T V， Ilyin S O， Gorbunova I Y， et al. A study on the structure and adhesive properties of epoxy⁃silicate composites［J］. Mechanics of Composite Materials， 2014， 50（5）： 661⁃668.
2	Orellana J L， Wichhart D， Kitchens C L. Mechanical and optical properties of polylactic acid films containing surfactant⁃modified cellulose nanocrystals［J］. Journal of Nanomaterials， 2018，4：1⁃12.
3	Huang X， Yang L， Meng L， et al. Mechanical and thermal properties of cellulose nanocrystals from jute fibers reinforced epoxy composites［J］. The Journal of the Textile Institute， 2021： 1⁃5.
4	卢琳娜，李永贵，卢麒麟.纤维素纳米晶/环氧树脂复合材料的制备及性能研究［J］.功能材料，2020，51（1）：1 196⁃1 201.
	LU L N， LI Y G， LU Q L. Synthesis and characterization of cellulose nanocrystal/epoxy resin composites［J］. Journal of Functional Materials，2020，51（1）：1 196⁃1 201.
5	Buketov A V， Dolgov N A， Sapronov A A， et al. Mechanical characteristics of epoxy nanocomposite coatings with ultradisperse diamond particles［J］. Strength of Mate⁃rials， 2017， 49（3）： 464⁃471.
6	Wang D， Ling Q， Nie Y， et al. In⁃Situ Cross⁃linking of waterborne epoxy resin inside wood for enhancing its dimensional stability， thermal stability， and decay resistance［J］. ACS Applied Polymer Materials， 2021， 3（12）： 6 265⁃6 273.
7	Ganan P， Garbizu S， Llano‐Ponte R， et al. Surface modification of sisal fibers： effects on the mechanical and thermal properties of their epoxy composites［J］. Polymer composites， 2005， 26（2）： 121⁃127.
8	魏文康，虞鑫海.环氧基体树脂的制备与性能表征［J］. 中国胶粘剂， 2019， 28（2）： 12⁃15.
	WEI W K， YU X H. Preparation and characterization of epoxy matrix resin［J］. China Adhesives，2019，28（2）：12⁃15.
9	毛丽贺，申宏旋，李嘉禄，等.改性聚氨酯上浆剂对碳纤维与环氧树脂界面性能的影响［J］.高分子材料科学与工程， 2019， 35（2）： 102⁃106.
	MAO L H， SHEN H X， LI J L， et al. Effect of modified polyurethane sizing agent on interfacial properties of carbon fiber［J］. Polymer Materials Science and Engineering， 2019， 35（2）： 102⁃106.
10	Kolmakov G V， Revanur R， Tangirala R， et al. Using nanoparticle⁃filled microcapsules for site⁃specific healing of damaged substrates： Creating a “repair⁃and⁃go” system［J］. ACS Nano， 2010， 4（2）： 1 115⁃1 123.
11	张克宏，王逍冉.纳米纤维素协同聚氨酯增强增韧聚乳酸的研究［J］. 中国塑料， 2020， 34（11）： 23⁃28.
	ZHANG K H， WANG X R. Investigation on reinforced and toughened PLA with NCF and PU［J］. China Plastics， 2020， 34（11）： 23⁃28.
12	Ruiz M M， Cavaillé J Y， Dufresne A， et al. New waterborne epoxy coatings based on cellulose nanofillers［J］. Macromolecular Symposia， 2001， 169（1）：211⁃222.
13	Lu J， Askeland P， Drzal L T. Surface modification of microfibrillated cellulose for epoxy composite applications［J］. Polymer， 2008， 49（5）： 1 285⁃1 296.
14	Nystrom D， Lindqvist J， Ostmark E， et al. Superhydrophobic and self⁃cleaning bio⁃fiber surfaces via ATRP and subsequent postfunctionalization［J］. ACS applied mate⁃rials & interfaces， 2009， 1（4）： 816⁃823.

[1]	贾明印, 董贤文, 王佳明, 陈轲. 浸渍方式对纤维增强聚酰胺6复合材料真空袋压成型工艺及性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 1-6.
[2]	张林, 夏章川, 何亚东, 信春玲, 王瑞雪, 任峰. 等离子体射流载气流量大小对玻璃纤维改性效果影响的研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 7-15.
[3]	杨金, 陈鹏然, 高培鑫. DIDOPO与POSS/EG协同阻燃环氧树脂泡沫及机理研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 38-45.
[4]	焦志伟, 王克琛, 张杨, 杨卫民. 基于碳纳米涂层沉积滑石粉与炭黑协同填充PVC/ABS复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 10-15.
[5]	喻九阳, 王众浩, 陈琦, 夏亚忠. 基于阀体制造的先进树脂基复合材料性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 16-22.
[6]	张陶忠, 陈晓龙, 郝晓宇, 于福家. 滑石、CaCO₃、BaSO₄填充PP复合材料力学性能及界面相互作用对比[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 36-41.
[7]	曲玉婷, 王立梅, 齐斌. 聚乙二醇对聚乳酸/淀粉纳米晶复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 56-61.
[8]	冯冰涛, 王晓珂, 张信, 孙国华, 汪殿龙, 侯连龙, 马劲松. 连续碳纤维增强热塑性复合材料制备与应用研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 165-173.
[9]	谭立钦, 刘伟区, 梁利岩, 王硕, 冯志强, 林家明. 含巯基聚硅氧烷改性环氧树脂的制备及性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 21-29.
[10]	宋银宝, 杨建军, 李传敏. PDMS/SiC功能梯度复合材料性能与制造精度研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 30-36.
[11]	徐杰, 钟进福, 童晓茜, 李广富, 付栋梁, 李城城. 端羧基修饰单宁酸/没食子酸环氧树脂复合材料的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 44-50.
[12]	杨小龙, 陈文静, 李永青, 闫晓堃, 王修磊, 谢鹏程, 马秀清. 导电型聚合物/石墨烯复合材料的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 165-173.
[13]	王轲, 龙春光. PE⁃UHMW/海泡石纤维复合材料的力学性能与摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 19-23.
[14]	陈胜, 梁颖超, 吴方娟, 方辉, 范新凤, 陈晖, 王永刚. 聚酰胺6/双向经编玻璃纤维复合材料的制备及其界面改性研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 24-28.
[15]	衣惠君, 汤明, 张清怡, 摆音娜. 3D打印用光固化树脂产品性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 43-46.

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Preparation and properties of epoxy resin/cellulose nanofiber composites

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