摘 要

对一个环氧树脂体系而言，研究其固化动力学对环氧树脂的固化反应条件和固化工艺都有着重要的参考价值和应用意义。本文采用不同升温速率非等温模型研究了MXene改性环氧树脂的固化动力学，首先采用盐酸氟化锂混合溶液刻蚀法制备了MXene，利用这种方法制备的MXene表面有羟基，具有一定的亲水性，然后将MXene与环氧树脂复合利用DSC测试固化反应的活化能。然后利用FT-IR对环氧树脂的固化过程前后进行结构表征，最后利用光学接触角测量仪对材料的表面接触角进行表征。结果表明：加入MXene后，可以降低固化反应的活化能，提高固化反应速率，但没有改变固化反应的反应机理；加入MXene后接触角与原环氧树脂接触角相比减小了17.5°左右。

关键词：MXene 环氧树脂 固化动力学 接触角

Study on curing kinetics of MXene/epoxy resin

Abstract

For an epoxy resin system, the curing kinetics of the epoxy resin have important reference value and application significance for the curing reaction conditions and curing process of epoxy resin. In this paper, the curing kinetics of MXene modified epoxy resin was studied by using different temperature rising rate non-isothermal model. Firstly, MXene was prepared by lithium chloride mixed solution etching method. The surface of MXene prepared by this method has hydroxyl group and has certain Hydrophilic, then MXene is combined with epoxy resin to test the activation energy of the curing reaction using DSC. Then the structure of the epoxy resin was characterized by FT-IR. Finally, the surface contact angle of the material was characterized by optical contact angle measuring instrument. The results show that the addition of MXene can reduce the activation energy of the curing reaction and increase the curing reaction rate, but it does not change the reaction mechanism of the curing reaction. After adding MXene, the contact angle is reduced by about 17.5 ° compared with the original epoxy resin contact angle.

Keywords: MXene; Epoxy resin; Curing kinetics; Contact angle

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1. 引言 1

1.2. 环氧树脂概述 1

1.2.1. 环氧树脂简介 1

1.3. MXene概述 3

1.3.1 MXene的研究进展 3

1.3.2 MXene制备方法 6

1.4. 本文研究的内容/目的和意义 7

1.4.1 实验研究内容 7

1.4.2 实验的目的和意义 7

第二章 实验部分 8

2.1 实验原料与仪器设备 8

2.1.1 实验原料 8

2.1.2 实验仪器 9

2.2 实验原理 10

2.2.1 MXene的合成原理 10

2.2.2 MXene/环氧树脂复合原理 10

2.3 样品制备 11

2.3.1 MXene的制备 11

2.3.2 MXene/环氧树脂的制备 11

2.4 性能测试及表征 13

2.4.1. DSC测试固化反应活化能 13

2.4.2. 红外光谱测试 13

2.4.3. 接触角测试 13

第三章 结果与讨论 14

3.1 DSC测试 14

3.2 红外光谱测试 17

3.3 接触角测试 19

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

致谢 24

第一章 文献综述

引言

21世纪以来，世界的材料都发生了前所未有的变化，许多传统的材料都改头换面，其中以高分子材料为主导，而各种各样的高分子材料又是以环氧树脂最为广泛。环氧树脂是高分子材料这一领域开发与应用的先导，已被公认为世界上最受欢迎和广泛使用的热固性聚合物。这是因为它们具有很强的耐化学性，热稳定性，高粘合强度，以及它们在表面涂料，粘合剂，聚合物复合材料等中的优越应用。

MXene是一种新型的纳米二维材料，这种新型材料有着许多优异的性能。由于本身是一种二维的纳米层状结构，使其自身的自润滑性、韧性等都比较优良^[1]。除此之外，MXene由于具有较大的比表面积，使其在锂离子电池、燃料电池、催化剂以及吸附材料等方面都有着很广阔的应用前景。

目前，已经有很多关于环氧树脂固化动力学的相关报道，Han J.L.等人报道了DSC对各种浓度的叔胺苄基二甲胺的环氧固化反应的动力学研究。用于监测环氧树脂固化过程的技术可分为以下几种： a） - 直接或化学方法，或b） - 间接或物理方法。特别地，物理分析通过监测作为时间函数的物理性质来评估交联度，所述物理性质与反应物转化为交联树脂直接相关。在后一领域，大部分工作都是通过差示扫描量热法（DSC）进行的^[2-4]。

环氧树脂概述

环氧树脂简介

环氧树脂的发明过程是一个非常漫长的里程碑，从环氧树脂在1891年首次被发明出来到1947年被美国的公司首次进行工业化生产，再到20世纪50年代环氧树脂在电气绝缘浇铸、金属粘结、防腐蚀涂料等方面都有了突破性的进展，于是环氧树脂便作为一个新生的行业发展了起来。

环氧树脂是最重要的热固性聚合物，广泛用作增强复合材料中的基质，航空航天工业用粘合剂，表面涂层等^[5,6]。环氧树脂还具有许多优异的特性，例如优异的机械性能，高附着力和化学稳定性，并广泛用作粘合剂，涂料和复合基质材料^[7,8]。虽然环氧树脂的产量以及使用量非常广，但是，环氧树脂在常温和一般加热条件下不能固化，也就不具有实用价值。当环氧树脂与交联剂（也称为硬化剂或固化剂）反应时，它变成不溶的热固性聚合物。已经用多种固化剂化合物研究了DGEBA的固化动力学。已知最常用的化合物作为固化剂是那些在其结构中含有活性氢原子的化合物，例如胺（伯或仲）或酸。然而，叔胺化合物（不存在氢供体）也可用作固化剂，在这种情况下，通过由叔胺引发的均聚反应进行固化。最常用的叔胺是二甲基氨基甲基苯酚和三（二甲基氨基甲基）苯酚，除叔胺基团外，还含有羟基作为其结构的组成部分。然而，在环氧树脂固化时，由于环氧树脂具有很低的导热性，在环氧树脂的内部，在固化过程中的温度会发生复杂的变化，这样会导致生成热固性树脂的过程中存在局部温度过高，形成大的局部温度梯度，形成应力集中的现象，最终使生成的树脂产品内部结构存在缺陷甚至是直接损坏。固化剂量少会影响产品的使用性能，而固化剂用量过多的话，最终未反应残留的固化剂也会对整个反应体系产生不良的影响^[9]。因此，对某一个环氧树脂的配方体系，固化剂的种类和固化剂的用量对于整个固化反应是很重要的。环氧树脂的固化剂的种类有很多，有胺类和酸酐类等^[10]。环氧树脂的性质很大程度上是由固化剂的性能支配的，而用的最多的固化剂的类型的脂肪族的固化剂。然而，这类固化剂的热性能很差，这也导致脂肪族固化剂的使用性能远远不如芳香族的固化剂的使用性能^[11]。