来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2021/10/15 14:03:35
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FCSE | 前沿研究:自模板法合成层状硅酸镍纳米花及运用于增强高性能环氧复合材料

论文标题:Self-sacrificial templating synthesis of flower-like nickel phyllosilicates and its application as high-performance reinforcements in epoxy nanocomposites(自模板法合成层状硅酸镍纳米花及运用于增强高性能环氧复合材料)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Jinian Yang,Xuesong Feng,Shibin Nie,Yuxuan Xu ,Zhenyu Li

发表时间:03 August 2021

DOI:10.1007/s11705-021-2074-6

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图1 层状硅酸镍纳米花和环氧纳米复合材料的制备过程示意图

前言

环氧树脂具有非常优异的综合性能,是现阶段应用最为广泛的热固性树脂之一。然而,环氧树脂的三维网络结构和高的交联密度导致其脆性较大,无法胜任比较苛刻的摩擦和磨损条件下的安全服役。大量研究表明,在环氧树脂中引入纳米粒子,尤其是二维层状纳米材料能够显著改善其摩擦学性能。

层状硅酸镍是一种由硅-氧四面体和镍-氧八面体构成的硅基化合物,具有片层结构规整有序、比表面积高、结构和形貌可调等诸多优点,作为功能材料在磁性吸附、电极材料尤其是催化领域应用广泛,但少有关于层状硅酸镍用于聚合物来制备复合材料的研究报道。

主要成果

本研究以纳米二氧化硅为自模板和硅源,硝酸镍为镍源,氨水为矿化剂,用沉积-沉淀工艺首先合成了层状硅酸镍纳米花,而后用简便的溶液法制备了环氧纳米复合材料,详细探讨了层状硅酸镍纳米花的添加量对力学性能、热稳定性以及滑动干摩擦性能的影响规律。图2显示,尽管层状硅酸镍纳米花的加入仅能稍许降低环氧纳米复合材料在稳定阶段的摩擦系数,但大幅降低了材料的磨损速率。与纯基体相比,添加5%的含量即可使磨损速率下降86.6%,显示层状硅酸镍纳米花能够显著提高环氧树脂的抗磨损能力,保证了此类材料在苛刻的摩擦磨损条件下的安全服役。

图2 层状硅酸镍纳米花对环氧纳米复合材料滑动干摩擦性能的影响

相关成果以“Self-sacrificialtemplating synthesis of flower-like nickel phyllosilicates and its applicationas high-performance reinforcements in epoxy nanocomposites”为题,已发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上(DOI: https://doi.org/10.1007/s11705-021-2074-6)。

摘要

The nanocomposites of flower-like nickel phyllosilicate particles incorporated into epoxy resin were fabricated via an in-situ mixing process. The flower-like nickel phyllosilicate particles were firstly synthesized using a mild self-sacrificial templating method, and the morphology and lamellar structure were examined carefully. Several properties of mechanical, thermal and tribological responses of epoxy nanocomposites were performed. It was demonstrated that adequate flower-like nickel phyllosilicate particles dispersed well in the matrix, and the nanocomposites displayed enhanced tensile strength and elastic modulus but decreased elongation at break as expected. In addition, friction coefficient and wear rate were increased first and then decreased along with the particle content, and showed the lowest values at a mass fraction of 5%. Nevertheless, the incorporated flower-like nickel phyllosilicate particles resulted in the continuously increasing thermal stability of epoxy resin (EP) nanocomposites. This study revealed the giant potential of flower-like particles in preparing high-quality EP nanocomposites.

作者介绍

本文第一作者和通讯作者分别为安徽理工大学材料科学与工程学院的杨继年副教授和安全科学与工程学院的聂士斌教授,此项研究得到了中国国家自然科学基金面上项目(51775001)、安徽省杰出青年基金(1908085J20)、安徽省高校协同创新项目(GXXT-2019-027)以及安徽省高校领军人才工程等的资助。

杨继年,安徽理工大学副教授,硕士生导师,中国化学会会员,中国化工学会会员。主要从事可生物降解复合材料设计、制备及性能研究,二维层状纳米材料的功能化制备及应用,现主持国家自然科学基金面上项目1项,完成安徽省博士后基金1项,参与完成国家自然科学基金3项和其他省部级基金多项。迄今为止,以第一作者和通讯作者在国内外核心期刊发表学术论文50余篇,其中SCI收录26篇,EI收录11篇,申请中国发明专利10项,获授权5项,申请南非发明专利1项。

期刊信息

Frontiers of Chemical Science and Engineering(SCI,影响因子4.204)是2007年创刊出版的全英文化学科学与工程领域国际综合性学术刊物,由教育部主管、高等教育出版社、中国工程院与天津大学联合主办,德国Springer公司海外发行,以网络版和印刷版两种形式出版。主编为天津大学王静康院士科院宁波材料所薛群基院士和郑州大学刘炯天院士。该刊重点刊登反映当前化学科学与工程领域热点的优秀学术论文及综述,以快捷方式发表最新研究成果。涉及化学科学与工程的所有领域,主要包括:催化及反应工程,清洁能源,功能材料,纳米科学与技术,生物材料和技术,颗粒技术和多相过程,分离科学与技术,可持续技术和绿色过程等。

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