不同无机填料对双酚A环氧树脂基体物理和力学性能的影响

《Polymer Engineering & Science》：Effect of Different Inorganic Fillers on the Physical and Mechanical Properties of Bisphenol-A Epoxy Matrix

该研究系统评估了四种无机填料（碳酸钙、滑石粉、铝粉、二氧化钛）对酚醛环氧树脂基体力学、热学及微观结构的影响规律。通过2.5-20wt%浓度范围的全面测试，发现碳酸钙显著提升 lap 剪切强度（15wt%达13MPa），滑石粉延长开罐寿命至165min，铝粉提高硬度至86.6，而二氧化钛缩短开罐时间。DSC证实玻璃化转变温度随填料增加，TGA显示热稳定性提升，SEM显示最佳填充量下均匀分散。

　　

摘要

本研究全面探讨了各种无机填料（即碳酸钙（CaCO₃）、硅灰石（CaSiO₃）、铝粉（Al）和二氧化钛（TiO₂）对双酚A基环氧树脂基体的机械性能、热性能和形态性能的影响。本研究的主要目的是比较评估每种无机填料对双酚A环氧树脂基体的性能提升程度，以确定填料与性能之间的关系，从而为特定行业的材料选择和配方提供指导。尽管已有大量关于环氧树脂-无机填料复合材料的研究，但大多数研究仅关注单一填料、狭窄的浓度范围或孤立的性能评估，缺乏在相同条件下的系统化对比。本研究通过评估这四种具有工业应用价值的填料在不同用量下的影响，揭示了它们对双酚A环氧树脂基体机械性能、热性能和形态性能的比较结果。每种填料在环氧树脂基体中的添加量为2.5–20 wt%，从而产生了不同的、特定于填料的性能变化。碳酸钙在15 wt%的添加量下表现出最高的搭接剪切强度（13 MPa），而硅灰石在15 wt%的添加量下使环氧树脂的固化时间延长最多（165分钟）。铝粉在10 wt%的添加量下获得了最高的肖氏硬度（86.6），但同时导致热阻降低。相比之下，二氧化钛在所有添加量下均显著缩短了环氧树脂的固化时间。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了填料的有效掺入，差示扫描量热法（DSC）显示随着填料含量的增加，玻璃化转变温度（T_g）逐渐升高。热重分析（TGA）结果表明，特别是碳酸钙显著提高了环氧树脂的热稳定性。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，在最佳添加量下填料分散均匀，而在较高浓度下则出现团聚现象，这与观察到的机械性能趋势一致。

亮点

• 添加碳酸钙的双酚A环氧树脂在15 wt%的添加量下具有最高的搭接剪切强度（13 MPa）。
• 添加硅灰石的环氧树脂在15 wt%的添加量下固化时间最长，达到165分钟。
• 添加铝粉的环氧树脂在10 wt%的添加量下获得了最高的肖氏硬度（86.6）。
• 添加二氧化钛的环氧树脂在所有浓度下均显著缩短了固化时间。
• 填料提高了玻璃化转变温度（T_g）和热稳定性；扫描电子显微镜（SEM）证实了填料的有效分散。

利益冲突

本研究是由印度理工学院卡尔加普尔分校材料科学中心与孟买Pidilite Industries Limited公司合作完成的。

数据可用性声明

所有与实验相关的数据均已提供。