摘　要：采用加入分散剂和超声波分散2种方法改进纳米SiC在环氧树脂中的分散，研究了分散剂种类和用量、分散方法对纳米SiC在环氧树脂中分散的影响。结果表明：分散剂DISPERBYK-2009的降粘效果好，SiC／EP浆料的粘度下降达57.3％，浆料粘度随分散剂用量的增加呈现先降后升态势。通过添加粉体质量分数5％的分散剂DISPERBYK-2009并采用超声波分散15 min，实现了纳米SiC在环氧树脂中的均匀分散，成功制备了粒子细小、均匀分布的纳米SiC／EP复合材料。
关键词：环氧树脂；纳米碳化硅；分散

O　引　言

　　环氧树脂(EP)是一种常用的热固性树脂，因具有良好的力学性能、电性能和化学性能而得到广泛应用。但是环氧树脂交联固化后质脆，耐热性、耐冲击和抗应力开裂的能力较差，使其应用受到一定的限制。目前，人们通过在环氧树脂中添加碳纳米管、纳米氧化铝、纳米二氧化硅等改性填料来获得性能更优异的纳米复合材料。因为纳米粒子其独特的表面效应、体积效应和量子效应而表现出常规填料所不具备的优异性能。碳化硅具有优异的导热性、硬度高、耐磨性好、耐高温性能佳，可以作为一种改性填料提高环氧树脂的物理力学性能。但是纳米SiC粒子粒径小，表面能大，极易团聚。所以如何解决团聚问题，使纳米粒子在基体中达到迅速、均匀分散就成为影响复合材料性能的关键。国内近年来对纳米SiC分散的研究主要集中在水基和有机溶剂体系，对纳米SiC在环氧树脂中的分散研究甚少，因此本文对纳米SiC粒子在环氧树脂中的分散进行了研究。

1　实验部分

1.1　原材料
　　环氧树脂(E-44)：上海树脂厂；固化剂：异佛尔酮二胺，德国巴斯夫；纳米SiC：日本进口；分散剂：6种，分别是上海三正高分子材料公司的超分散剂CH-5和CH-13E，其特点是采用锚固基团与溶剂化链相结合的结构；瑞士汽巴精化的EFKA-4061分散剂，是一种是线形聚氨酯分散剂；德国毕克化学的分散剂BYK-9076，其化学组成为高分子质量共聚物烷基铵盐；分散剂DIS-PERBYK-2008和DISPERBYK-2009，二者的化学组成均为采用受控聚合技术(CPT)“结构的丙烯酸共聚物”。
1.2　实验仪器
　　NXS-11A型旋转粘度计，成都仪器厂；D2004W电动搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；DL-180A超声波清洗器，上海之信仪器有限公司；基恩士(KEYENCE)VHX-600超景深三维显微系统。
1.3　实验制备
1.3.1　分散剂实验
　　分散体系粘度是否下降是评价分散效果好坏的实际指标。因为粘度是反映浆料内摩擦或粘(滞)性的特征量。当颗粒分散在一种介质中时，体系粘度比纯液体高。这种粘度增加值的大小反映了分散程度、浆料组分的相互作用和分散剂分散效果等信息。通常体系中的粘度越低则体系越稳定，粉体在体系中的分散性越好。本文研究了6种分散剂对SiC／EP浆料粘度的影响。取一定质量的环氧树脂，加入树脂质量分数为20％的活性稀释剂AGE(十二至十四烷基缩水甘油醚)调节粘度，然后加入粉体质量分数为5％的分散剂，搅拌后静置1 h。再加入质量分数为50％环氧树脂的经过干燥处理的纳米SiC，以500 r／min的速度机械搅拌30 min后测量浆料粘度。粘度测定按照GB／T 22314―2008标准，采用NXS―11A型旋转粘度计进行测定。取剪切速率40 s-1时的读数进行计算和分析。
1.3.2　超声波分散实验
　　将加入分散剂及未加分散剂的SiC／EP浆料充分搅拌均匀后，放在超声波清洗器中振动分散15 min。
1.3.3　复合材料的制备
　　分别采用以下3种方法制备纳米一环氧树脂复合材料：1)不加分散剂直接将干燥过后的纳米SiC与环氧树脂机械搅拌混合30 min；2)不加分散剂将干燥过后的纳米SiC与环氧树脂机械搅拌混合30 min后，用超声波分散15 min；3)加入优选后的分散剂，机械搅拌后再经超声波分散。然后将上述3种浆料加入固化剂后分别浇铸到聚四氟乙烯模具中，80℃固化4 h后冷却至室温脱模待测。

2　结果与讨论

2.1　分散剂对纳米SiC在环氧树脂中分散性的影响
　　在不加任何分散剂的情况下，测得SiC／EP浆料粘度为3.9 Pa・s，记为基准粘度。加入不同分散剂后SiC／EP浆料粘度的变化见图1所示。由图1可以看出，CH系列超分散剂使SiC／EP浆料粘度降低约10％；分散剂EFKA-4061和BYK-9076能进一步降低体系的粘度；而采用分散剂DISPER-BYK-2008、DISPERBYK-2009(以下简称2008和2009)甚至使浆料粘度分别达到下降40.4％和57.3％。分散剂BYK2008的分散效果稍差于BYK2009的主要原因可能是前者的胺值(KOH)为66 mg／g比后者(4 mg／g)高，而过高的胺值影响了环氧树脂体系的粘度。

　　可以看出，通过使用分散剂进行化学分散对纳米SiC在环氧树脂中的分散起到了很好的效果。这是由于这些分散剂在结构上具有2个特点。1)它们含有1个或者多个“颜料亲和”基团(亦称锚固基团1吸附在粉体表面；2)它们含有与树脂相混容的链段，当分散剂吸附在粉体表面后，伸出的高分子长链在树脂中充分伸展，产生空间位阻效应阻止颗粒间相互聚集。采用C胛合成的BYK2008和BYK2009与传统分散剂相比，聚合物中的单体排列可有选择性地控制，从而使分散剂具有更好的分散效果。
　　为了优化分散工艺，对降粘效果优的BYK2009分散剂用量进行实验，其结果见图2所示。

　　从图2可以看出，随着分散剂用量的增加，SiC粒子表面吸附的分散剂逐渐增多直至饱和，浆料粘度逐渐降低。但分散剂加入量并不是越多越好，当分散剂用量继续增加时，液相中的分散剂越来越多，浆料的粘度反而上升。
2.2　超声波分散对纳米SiC在环氧树脂中分散性的影响
　　机械搅拌和超声波分散制备的SiC／EP复合材料的超景深显微照片见图3。

　　由图3可以看出，经过机械搅拌处理的纳米SiC／EP复合材料中SiC粒子分布极不均匀，多以团聚体的形式存在于环氧树脂基体中。说明采用机械搅拌的方式没有很有效地打开纳米粒子的团聚。而经过超声波分散的样品，粒子较单独采用机械搅拌明显细小，且在环氧树脂基体中的分布较为均匀。
　　由此可见超声波分散是一种有效提高纳米SiC粒子在环氧树脂中分散性的方法。当超声波作用于液体时会产生空化气泡。空化气泡在液体介质中产生、溃陷或消失从而引发的空化作用会产生局部的高温高压，并产生巨大的冲击力和微射流。纳米粉体在其作用下表面能被削弱，可有效防止颗粒的团聚使之充分分散。因此在采用机械搅拌的方法初步分散后，通过超声波分散将纳米SiC团聚体打开成更小的颗粒，可有效弥补机械搅拌的不稳定性。
2.3　纳米SiC在环氧树脂中分散工艺的优化
　　单一的物理或化学分散都具有自身不可避免的局限性。由于纳米粒子表面能大，极易团聚。机械搅拌和超声波分散能分散粉体但不能有效的保持粒子稳定性，粒子有再次形成团聚的倾向；而化学分散的前提是必须借助物理方法打开团聚，使粒子处于充分分散状态，进而通过分散剂在粒子表面形成空间位阻作用稳定分散。加入分散剂、结合机械搅拌和超声波分散复合工艺制备的纳米SiC／EP复合材料显微照片(见图4)。

　　从图4看出纳米SiC粒子非常细小、均匀地分布在环氧树脂基体中。这说明采用分散剂和超声波分散复合处理后实现了纳米SiC在环氧树脂中的均匀分散，成功制备了粒子细小、均匀分布的纳米SiC／EP复合材料。

3　结　论

　　1)通过加入分散剂能有效降低SiC／EP浆料的粘度，提高纳米SiC在环氧树脂中的分散性。采用受控聚合技术的分散剂DISPERBYK-2009比传统分散剂有更好的分散效果。SiC／EP浆料的粘度随分散剂用量的增加呈先降后升态势。在本实验条件下，分散剂的加入量为粉体质量的5％时粘度低。
　　2)超声波分散能有效改善纳米SiC在环氧树脂中的分散情况。
　　3)通过添加粉体质量分数5％的分散剂并采用超声波分散15 min后的纳米SiC／EP复合材料，纳米SiC团聚基本被打开，粒子在环氧树脂基体中分布均匀，成功制备了粒子细小、均匀分布的纳米SiC／EP复合材料。