稀土阳离子—吲哚动态交联环氧树脂的制备及其性能研究

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环氧树脂由于其优异的机械性能和化学稳定性而广泛用于航空航天、机械和电子设备等。由于环氧树脂通常需要固化交联之后才能使用,虽然交联密度的增加有助于提高其机械强度,但是却会牺牲其最大伸长率和韧性。因此,在保持环氧树脂韧性的同时实现环氧树脂的高强度已成为高分子材料领域的关键问题,设计新型具有高强度和高韧性的环氧树脂对于推动高分子行业的发展也有着深远的意义。本论文设计了一种由阳离子(Eu3+)-π动态驱动的高强韧环氧树脂(IN-EP-Eu),规避了环氧树脂在刚性和可延展性之间的矛盾。与传统的非共价键相比,Eu3+-π相互作用可以在外力作用下以点对面的作用形式及时形成和解除,从而更好地耗散能量,有利于环氧树脂材料强度和韧性的提高。此外,由于稀土Eu3+的存在使IN-EP-Eu薄膜具有荧光变色特性,从而实现了高强韧环氧树脂的高效的本体多重防伪,具体研究结论如下:(1)设计合成了一种新型吲哚基环氧薄膜(IN-EP),探究了不同吲哚含量对体系力学性能的影响,当吲哚含量逐渐增加时,薄膜的拉伸强度呈先增加后减小的趋势,其断裂伸长率也是先增加后减小,因此吲哚的最佳添加含量(和双酚A二缩水甘油醚的当量比)为0.5时,其拉伸强度为100.89 MPa,断裂伸长率为2.96%,选取这一最佳含量为后续实验的基础。(2)利用EDX、荧光光谱、紫外吸收光谱和径向分布函数证明了IN-EP-Eu聚合物网络中Eu3+-π作用的存在,其次通过对添加不同Eu3+含量(和吲哚的物质的量之比)的IN-EP-Eu的力学性能测试,发现当Eu3+添加含量为1/8时,其强度为112 MPa,提高了11.1%,断裂伸长率为5.54%,约为IN-EP的1.87倍。利用应力应变曲线计算了IN-EP和IN-EP-Eu的杨氏模量和断裂能,由结果可知,IN-EP-Eu具有较高的模量(3.25GPa)和较高的断裂能(9.50 J/cm2),其断裂能约为IN-EP(3.89 J/cm2)的2.44倍。探究了阳离子-π作用在市售环氧中的实际应用,随Eu3+的含量的变化,Eu3+-π动态交联市售环氧树脂(C-IN-EP-Eu)呈现出与IN-EP-Eu类似的规律,其中C-IN-EP-1/8Eu具有较高的力学强度(51 MPa)和良好的韧性(7.17%)。由此说明Eu3+-π作用的存在,能够起到对环氧树脂增强和增韧的效果,解决了二者的矛盾问题。(3)探究IN-EP-Eu薄膜在不同酸性条件下的荧光性能,通过调节浸泡时间和浸泡的pH值两种变量,体系中Eu3+的荧光随浸泡时间延长而减弱,随浸泡pH的减小而减弱,薄膜的荧光颜色红色过渡到蓝色,说明H+浓度的增加,造成Eu3+浓度减少,荧光强度减弱,酸度的变化可以改变荧光性能。同时结合条形码和二维码,成功赋予了IN-EP-Eu的多重防伪的性能。由Eu3+-π相互作用驱动的具有高强度,韧性和有效防伪性能的环氧树脂在航空航天和电子设备领域的发展中具有广阔的前景。
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