EP-POSS/EHTPB增韧耐低温环氧树脂的制备及性能研究
摘要
随着航天技术的不断发展，推进剂贮箱的轻量化和低温性能已成为当今的重要需求。
由于传统材料在低温环境下易变脆，从而导致断裂和开裂现象，无法满足低温推进剂贮
箱的要求。因此，研究环氧树脂低温增韧技术，开发耐低温环氧树脂基复合材料，具有
重要的工程意义和广阔的发展前景。
本文针对纯环氧树脂断裂伸长率和断裂韧性低，抗冲击性能差这一缺点，通过向环
氧树脂中引入环氧化倍半硅氧烷（EP-POSS）和环氧化端羟基聚丁二烯（EHTPB）来改
善环氧树脂常温和低温下的力学性能，采用共混改性和化学接枝改性的方法，制备了EP-
POSS/E51和EP-POSS/EHTPB/E51两种耐低温环氧树脂体系。研究了两种环氧树脂体
系的固化行为、力学性能、热性能和吸水性能，详细阐述了不同含量的增韧剂对环氧树
脂常温和低温下拉伸性能，弯曲性能和断裂韧性的影响，并通过树脂体系的断面微观形
貌，深入分析了EP-POSS和EHTPB增韧耐低温环氧树脂的相关机理。具体如下：
首先，通过红外光谱测试和非等温DSC法分析了两种树脂体系的固化行为和固化
机理。然后通过非等温DSC曲线，结合外推法确定低温树脂体系的固化程序为100℃/2
h+130℃/4h+160℃/4h。研究两树脂体系的表观活化能发现EHTPB的引入会降低环氧
树脂体系的反应活性。通过非线性拟合确定改性树脂体系的自催化模型动力学方程，且
该方程能很好地验证环氧树脂的固化过程。然后通过Kissinger-Akahira-Sunose和Flynn-
Wall-Ozawa法研究了两种改性树脂体系的固化度与活化能之间的关系，表明随着固化度
增大，两树脂体系体系的活化能都呈现出逐渐增大的趋势，符合自催化反应的特征。
其次，通过向环氧树脂中引入EP-POSS来提高改性树脂体系的低温力学性能。实
验结果表明EP-POSS的引入可明显提高环氧树脂的断裂伸长率，弯曲强度和断裂韧性。
常温下，当EP-POSS含量为4%改性环氧树脂的断裂伸长率，弯曲强度和断裂韧性，均
达到最大，相比于纯环氧树脂（4.45%、113.28MPa、0.98MPa·m1/2）分别提高了20.67%，
21.84%和71.01%。低温条件下，当EP-POSS含量为4%时，改性环氧树脂的拉伸强度，
断裂伸长率、弯曲强度和断裂韧性分别为112.03MPa、2.85%、142.15MPa、2.54MPa·m1/2，
分别提高了14.32%、24.45%、20.46%、53.01%。与常温相比，低温环境会显著提高环氧
树脂的拉伸强度，拉伸模量，弯曲强度和断裂韧性，而明显降低树脂的断裂伸长率，但
是，当EP-POSS含量过高则会团聚影响改性树脂的力学性能。此外，适量的EP-POSS
可以提高环氧树脂的初始分解温度，降低环氧树脂的饱和吸水率。
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
最后，为了进一步提高环氧树脂的断裂伸长率，在EP-POSS/E51树脂体系的基础
上，引入柔性聚合物EHTPB的方法来改善环氧树脂分子链的运动能力，从而使环氧树
脂交联网络具有较好的柔韧性。研究结果表明EHTPB的引入明显提高了环氧树脂的断
裂伸长率和断裂韧性。常温下，当EHTPB含量为10%时，改性树脂的断裂伸长率和断
裂韧性分别达到最大值，相比于E51树脂体系（4.45%和0.98MPa·m1/2）提高了53.26%
和86.73%。低温条件下，当EHTPB含量为10%时，该树脂体系的断裂伸长率和断裂韧
性为3.16%和2.88MPa·m1/2，相比于E51体系增加了38%和73.49%。然而EHTPB在提
高树脂韧性的同时也会降低EP-POSS/E51的拉伸强度和模量。此外，EHTPB的加入会
降低环氧树脂的初始分解温度，提高环氧树脂的饱和吸水率。
关键词：低温环氧树脂；增韧；EP-POSS；EHTPB
EP-POSS/EHTPB增韧耐低温环氧树脂的制备及性能研究
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