摘　要：采用加入分散劑和超聲波分散2種方法改進納米SiC在環氧樹脂中的分散，研究了分散劑種類和用量、分散方法對納米SiC在環氧樹脂中分散的影響。結果表明：分散劑DISPERBYK-2009的降粘效果好，SiC／EP漿料的粘度下降達57.3％，漿料粘度隨分散劑用量的增加呈現先降后升態勢。通過添加粉體質量分數5％的分散劑DISPERBYK-2009并采用超聲波分散15 min，實現了納米SiC在環氧樹脂中的均勻分散，成功制備了粒子細小、均勻分布的納米SiC／EP復合材料。
關鍵詞：環氧樹脂；納米碳化硅；分散

O　引　言

　　環氧樹脂(EP)是一種常用的熱固性樹脂，因具有良好的力學性能、電性能和化學性能而得到廣泛應用。但是環氧樹脂交聯固化后質脆，耐熱性、耐沖擊和抗應力開裂的能力較差，使其應用受到一定的限制。目前，人們通過在環氧樹脂中添加碳納米管、納米氧化鋁、納米二氧化硅等改性填料來獲得性能更優異的納米復合材料。因為納米粒子其獨特的表面效應、體積效應和量子效應而表現出常規填料所不具備的優異性能。碳化硅具有優異的導熱性、硬度高、耐磨性好、耐高溫性能佳，可以作為一種改性填料提高環氧樹脂的物理力學性能。但是納米SiC粒子粒徑小，表面能大，極易團聚。所以如何解決團聚問題，使納米粒子在基體中達到迅速、均勻分散就成為影響復合材料性能的關鍵。國內近年來對納米SiC分散的研究主要集中在水基和有機溶劑體系，對納米SiC在環氧樹脂中的分散研究甚少，因此本文對納米SiC粒子在環氧樹脂中的分散進行了研究。

1　實驗部分

1.1　原材料
　　環氧樹脂(E-44)：上海樹脂廠；固化劑：異佛爾酮二胺，德國巴斯夫；納米SiC：日本進口；分散劑：6種，分別是上海三正高分子材料公司的超分散劑CH-5和CH-13E，其特點是采用錨固基團與溶劑化鏈相結合的結構；瑞士汽巴精化的EFKA-4061分散劑，是一種是線形聚氨酯分散劑；德國畢克化學的分散劑BYK-9076，其化學組成為高分子質量共聚物烷基銨鹽；分散劑DIS-PERBYK-2008和DISPERBYK-2009，二者的化學組成均為采用受控聚合技術(CPT)“結構的丙烯酸共聚物”。
1.2　實驗儀器
　　NXS-11A型旋轉粘度計，成都儀器廠；D2004W電動攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；DL-180A超聲波清洗器，上海之信儀器有限公司；基恩士(KEYENCE)VHX-600超景深三維顯微系統。
1.3　實驗制備
1.3.1　分散劑實驗
　　分散體系粘度是否下降是評價分散效果好壞的實際指標。因為粘度是反映漿料內摩擦或粘(滯)性的特征量。當顆粒分散在一種介質中時，體系粘度比純液體高。這種粘度增加值的大小反映了分散程度、漿料組分的相互作用和分散劑分散效果等信息。通常體系中的粘度越低則體系越穩定，粉體在體系中的分散性越好。本文研究了6種分散劑對SiC／EP漿料粘度的影響。取一定質量的環氧樹脂，加入樹脂質量分數為20％的活性稀釋劑AGE(十二至十四烷基縮水甘油醚)調節粘度，然后加入粉體質量分數為5％的分散劑，攪拌后靜置1 h。再加入質量分數為50％環氧樹脂的經過干燥處理的納米SiC，以500 r／min的速度機械攪拌30 min后測量漿料粘度。粘度測定按照GB／T 22314―2008標準，采用NXS―11A型旋轉粘度計進行測定。取剪切速率40 s-1時的讀數進行計算和分析。
1.3.2　超聲波分散實驗
　　將加入分散劑及未加分散劑的SiC／EP漿料充分攪拌均勻后，放在超聲波清洗器中振動分散15 min。
1.3.3　復合材料的制備
　　分別采用以下3種方法制備納米一環氧樹脂復合材料：1)不加分散劑直接將干燥過后的納米SiC與環氧樹脂機械攪拌混合30 min；2)不加分散劑將干燥過后的納米SiC與環氧樹脂機械攪拌混合30 min后，用超聲波分散15 min；3)加入優選后的分散劑，機械攪拌后再經超聲波分散。然后將上述3種漿料加入固化劑后分別澆鑄到聚四氟乙烯模具中，80℃固化4 h后冷卻至室溫脫模待測。

2　結果與討論

2.1　分散劑對納米SiC在環氧樹脂中分散性的影響
　　在不加任何分散劑的情況下，測得SiC／EP漿料粘度為3.9 Pa?s，記為基準粘度。加入不同分散劑后SiC／EP漿料粘度的變化見圖1所示。由圖1可以看出，CH系列超分散劑使SiC／EP漿料粘度降低約10％；分散劑EFKA-4061和BYK-9076能進一步降低體系的粘度；而采用分散劑DISPER-BYK-2008、DISPERBYK-2009(以下簡稱2008和2009)甚至使漿料粘度分別達到下降40.4％和57.3％。分散劑BYK2008的分散效果稍差于BYK2009的主要原因可能是前者的胺值(KOH)為66 mg／g比后者(4 mg／g)高，而過高的胺值影響了環氧樹脂體系的粘度。

　　可以看出，通過使用分散劑進行化學分散對納米SiC在環氧樹脂中的分散起到了很好的效果。這是由于這些分散劑在結構上具有2個特點。1)它們含有1個或者多個“顏料親和”基團(亦稱錨固基團1吸附在粉體表面；2)它們含有與樹脂相混容的鏈段，當分散劑吸附在粉體表面后，伸出的高分子長鏈在樹脂中充分伸展，產生空間位阻效應阻止顆粒間相互聚集。采用C胛合成的BYK2008和BYK2009與傳統分散劑相比，聚合物中的單體排列可有選擇性地控制，從而使分散劑具有更好的分散效果。
　　為了優化分散工藝，對降粘效果優的BYK2009分散劑用量進行實驗，其結果見圖2所示。

　　從圖2可以看出，隨著分散劑用量的增加，SiC粒子表面吸附的分散劑逐漸增多直至飽和，漿料粘度逐漸降低。但分散劑加入量并不是越多越好，當分散劑用量繼續增加時，液相中的分散劑越來越多，漿料的粘度反而上升。
2.2　超聲波分散對納米SiC在環氧樹脂中分散性的影響
　　機械攪拌和超聲波分散制備的SiC／EP復合材料的超景深顯微照片見圖3。

　　由圖3可以看出，經過機械攪拌處理的納米SiC／EP復合材料中SiC粒子分布極不均勻，多以團聚體的形式存在于環氧樹脂基體中。說明采用機械攪拌的方式沒有很有效地打開納米粒子的團聚。而經過超聲波分散的樣品，粒子較單獨采用機械攪拌明顯細小，且在環氧樹脂基體中的分布較為均勻。
　　由此可見超聲波分散是一種有效提高納米SiC粒子在環氧樹脂中分散性的方法。當超聲波作用于液體時會產生空化氣泡?？栈瘹馀菰谝后w介質中產生、潰陷或消失從而引發的空化作用會產生局部的高溫高壓，并產生巨大的沖擊力和微射流。納米粉體在其作用下表面能被削弱，可有效防止顆粒的團聚使之充分分散。因此在采用機械攪拌的方法初步分散后，通過超聲波分散將納米SiC團聚體打開成更小的顆粒，可有效彌補機械攪拌的不穩定性。
2.3　納米SiC在環氧樹脂中分散工藝的優化
　　單一的物理或化學分散都具有自身不可避免的局限性。由于納米粒子表面能大，極易團聚。機械攪拌和超聲波分散能分散粉體但不能有效的保持粒子穩定性，粒子有再次形成團聚的傾向；而化學分散的前提是必須借助物理方法打開團聚，使粒子處于充分分散狀態，進而通過分散劑在粒子表面形成空間位阻作用穩定分散。加入分散劑、結合機械攪拌和超聲波分散復合工藝制備的納米SiC／EP復合材料顯微照片(見圖4)。

　　從圖4看出納米SiC粒子非常細小、均勻地分布在環氧樹脂基體中。這說明采用分散劑和超聲波分散復合處理后實現了納米SiC在環氧樹脂中的均勻分散，成功制備了粒子細小、均勻分布的納米SiC／EP復合材料。

3　結　論

　　1)通過加入分散劑能有效降低SiC／EP漿料的粘度，提高納米SiC在環氧樹脂中的分散性。采用受控聚合技術的分散劑DISPERBYK-2009比傳統分散劑有更好的分散效果。SiC／EP漿料的粘度隨分散劑用量的增加呈先降后升態勢。在本實驗條件下，分散劑的加入量為粉體質量的5％時粘度低。
　　2)超聲波分散能有效改善納米SiC在環氧樹脂中的分散情況。
　　3)通過添加粉體質量分數5％的分散劑并采用超聲波分散15 min后的納米SiC／EP復合材料，納米SiC團聚基本被打開，粒子在環氧樹脂基體中分布均勻，成功制備了粒子細小、均勻分布的納米SiC／EP復合材料。