一、项目实施情况:
本项目是基于系统的文献调研分析和充分的前期预研实验并结合国内外相关研究的最新进展,提出的具有创新性的研究课题:紫外线是一种波长比可见光短的电磁波,占太阳光总能量4%~ 7% ,其波长在200nm ~ 400nm之间,按波长长短可分为短波紫外线 UVC(200nm~ 290nm) 、中波紫外线 UVB( 290nm ~ 320nm) 、长波紫外线UVA(320nm ~ 400nm)。其中UVC几乎全被大气臭氧层吸收,达到地球表面的主要是UVB (占到达地表UV总量的5%)和 UVA (占到达地表UV总量的95%)。紫外线照射后当光子所具有的能量高于高分子材料的键能时,聚合物分子链断裂,形成活泼的游离基,游离基进一步引发分子链发生降解,最终造成聚合物的加速老化降解,导致材料的使用强度、寿命及美观度大大降低。因此紫外线是引起高分子材料老化的最主要的因素。因此人们越来越多的关注紫外线的防护。
环氧树脂以其粘附力强、绝缘性能好等优点,在电气领域中得到广泛应用,绝缘材料就是它最广泛的应用之一。但作为一种高分子物质,极容易受到紫外线的作用从而发生老化。
稀土元素具有独特的外层电子结构相同,而内层4f电子能级相近的电子层构型,决定了稀土元素有多样的电子层排布和丰富的电子能级,其稀土化合物表现出独特的物理和化学性质,因而广泛应用于光电磁领域,将稀土配合物复合到聚合物基质中制成稀土高分子材料,可改善材料的某些性能,实现性能上的优化。纳米ZnO2、CeO2是无机紫外吸收剂、良好的导热材料,不仅对紫外线具有较好的屏蔽作用,而且对可见光具有较好的透过性,是一种宽波长的紫外屏蔽材料。而且本身是无机物,在紫外线下的生存周期长,不易受侵害。
因此我们考虑,既然稀土氧化物因为其丰富的4f电子层结构,可以通过电子跃迁吸收紫外线能力,然后以低能级的光和热能的方式放出,那么将稀土氧化物作为无机改性剂,制备复合材料,一定可以大大提高其吸收紫外线的能力,从而提高材料的抗光、抗紫外线老化的能力,下两图为某两种复合材料在不同波长的紫外光吸收谱图,可见其具有较高的紫外光吸收作用。再将其应用于各个领域,如化妆品、棉织物、玻璃、塑料等中,便可以延长其使用寿命,从而发挥极大的应用作用。除此,我们尝试加入其他无机材料,使其具备一定的导热能力,便可广泛应用于户外电机、大型设备等领域。
总的来讲,本项目是以环氧树脂作为基底材料,在其中加入二氧化铈等稀土材料,使其达到抗紫外老化的效果,并通过一系列的测试确定材料的最佳复配比。在材料具备抗紫外老化性能的基础上,加入其他填料使材料同时具备耐热等其他优良性能。
完成情况:
1、小组通过大量文献调研、实验摸索、实际操作、数据分析、总结评价共完成了上百个配方的实验,并从中挑选最佳配比。
2、通过挑选出几组典型配方,通过对比紫外老化仪的紫外照射和喷淋结果后的数据,成功比较出不同比例填料对抗紫外能力的影响(具体数据见后总结报告)。
3、测试结果表明,小组所做产品,导热率最高可达1.9,较纯环氧树脂0.2有很大提升。
综上,小组已完成预期的所有实验。
实施过程:
以环氧树脂NPEL128作为基底材料,在其中加入不同配比的固化剂LR1805、氧化铝、氧化锌、二氧化铈以及石墨烯等填料,并在其中添加脱泡剂175、硅烷偶联剂KH-560等添加剂,并通过搅拌机均匀分散、脱泡、模具固化制得测试所需的模具,并通过抗紫外老化测试、热导率测试以及接触角测试来确定出每一种填料以及添加剂的最佳复配比。 图 部分产品
具体来讲,将纳米氧化铈、纳米氧化铝、纳米氧化锌、石墨烯等填料与环氧树脂一同搅拌,根据已测的产品性能,还会加入一定量的固化剂、抗沉降剂、硅烷偶联剂等助剂。均以分散后适当升高温度将粘度降低,随后进行真空脱泡,经模具固化后,对其进行脱模并测试性能,测试内容包括抗紫外老化测试、热导率测试和接触角测试。
均匀分散过程所用到的仪器为推进式搅拌桨。推进式搅拌器属于轴流型搅拌器,流体在叶片作用下轴向速度大,主体循环效果明显。我们用低转速进行预混合,再逐渐过渡到高转速条件下。转速达到800r/min时,搅拌器上部固体颗粒分散达到了理想的效果。在推进式搅拌器受到的力矩中,剪切力力矩较小,因此在高速旋转下,可以降低环氧树脂的粘度,在均匀分散的前提下,降低粘度。
均匀分散后,我们会适当升高流体温度,降低其粘度,有助于接下来的脱泡过程。由于流体黏度较高,气泡上升速度低,通过搅拌将材料的对流方式把气泡带到表面气泡由于减压(真空)从而而被破坏,达到脱泡效果。
所得产品经热固化后脱模,随后进行相关性能测试:
首先我们测试的是环氧树脂抗紫外老化性能,由于抗紫外老化测试周期较长,我们使用紫外老化仪,通过不同型号光管模拟自然界不同场景下紫外光照射,喷淋设施可以模拟雨雾条件,昼夜交替,通过每个配方进行四个不同周期的照射(2天、4天、6天、8天),相当于现实中分别照射2.5年、5年、7.5年、10年,然后进行喷淋,测试产品抗紫外老化性能。
对产品抗紫外老化测试后,接触角测量观察并对比测试前与测试后表面的变化,从而判断其抗紫外老化性能。
在实验过程中我们也做了大量的市场调查,调查了数十家公司各类药品的价格,尽可能降低药品购买的成本。大家看纳米级的氧化铈价格普遍在每公斤200到500之间,具体价格跟纯度也有一定的关系,而微米级的氧化铈却只有每公斤十到二十块钱,为了降低成本,我们购买了微米级的氧化铈,使用实验室里的高能球磨机,将微米级的氧化铈通过高能球磨的作用将粒径减小至100nm以下。
另外,由于不同应用场景的需要,环氧树脂仍需一定的导热能力,纯环氧树脂导热率极低,我们在配方中也加入部分可导热材料,因此对产品的导热性能进行测试。我们采用固体材料低温热导率测试系统,并使用计算机控制稳态法——在实验过程中试样上的温度分布保持稳定。
在进行测试时, 试样需要达到热平衡后才能采集数据进行计算。当一个稳态读完后, 改变加热器的温度测量下一个稳态, 从而研究热导率的变化。使用计算机控制数据采集和处理, 实现自动控温。测试后,我们会对数据进行整合,通过数据来调整配方的组成和调料的占比,最终得到几组较为稳定且理想的配方。
二、项目创新点与特色:
创新特色:
1、方法的创新:
(1)环氧树脂复合材料的抗紫外性能与纳米氧化铈的分散性密切相关。加入硅烷偶联剂KH-560,通过对纳米氧化铈进行表面修饰,以此改善纳米氧化铈的表面能和在环氧树脂中的分散效果,提高复合材料的耐紫外性能。
(2)制备具抗紫外、抗老化、绝缘于一身的复合型材料。
(3)因起初沉降问题较为严重,通过多种填料的协同作用,适当增大其粘度。
2、思考发展趋势从而创新:
CeO2作为抗紫外剂的应用技术研究不多,因此真正应用在高分子材料中的情况较少。因此我们考虑应用技术开发方面,研究稀土材料与环氧树脂的结合,提高环氧树脂绝缘材料的诸多性能,尤其是抗紫外老化。
3、成本方面:
我们所采取的的实验技术手段均为成本较低的手段,用低成本的情况克服困难,完成高质量的实验。
三、项目成果:
项目申请书中的预期成果及成果提交形式
公开发表论文:1(篇),专利:0(项),调查报告:0(份),软件、著作:0(份)实物:12(件),竞赛获奖:0(次),其它:
项目结题时取得的成果
公开发表论文:0(篇),专利:0(项),调查报告:0(份),软件、著作:0(份)实物:12(件),竞赛获奖:0(次),其它:
项目主要研究成果情况
序号 | 成果名称 (获奖名称及等级) | 成果形式 | 作者(获奖者) | 出版社、发表刊物 或颁奖单位 | 时间(刊期) |
四、研究体会和心得:
去年六月我们成功申请了国家级科技创新立项,课题为《稀土抗紫外老化环氧树脂绝缘材料》。在科创实验中,我们合理分工,进行实验的实施、各药品的市场调查、实验数据的表征、宣传等。一年以来,学会了许多仪器的使用,如真空脱泡仪、热风烘箱、球磨机等,学会了许多材料参数的表征方法以及表征仪器的使用,如电导率的测试、导热率的测试、抗紫外老化能力的测试、接触角的测试等。通过一年的实验,让我掌握了许多实验室常用仪器的使用。
在此次科技创新中,我们学会了如何将实践与理论相结合,加深了对于专业知识的理解,学会了运用理论知识来解决实际问题,不再只是纸上谈兵,在这一年来培养了创新精神以及不惧困难,坚持不懈的求真务实精神,这一年的经历让我们在科研方面有了更多的经验,成长了许多。
我们相信科创这一过程带给我们的,不仅仅是一次科创的经历,更多的是我们从中获得颇多的实验技能,知识储备和研究兴趣,这对我们努力争取的研究生生涯大有益处。小组的协作,让我们互相从对方身上汲取长处,规避短处,在长时间的实验过程中,我获得了探索配方的能力,并且可以根据实验结果,探究其机理作用,从而改进配方。与此同时,更要感谢稀土所优良的实验环境和设备资源,让我们获得学习使用多种性能测试的仪器和设备。最后,本次科创的顺利结题,离不开每一位组员和共同努力,我们更要珍惜在此科创过程中指导老师和答辩老师给予的宝贵建议,将它们化作每一次创新的源泉。
五、经费使用明细情况:
项目获批总经费:20000(元),项目实际投入经费:20000(元),实际使用资金:19911(元),结余资金:89(元)
项目经费开支情况
名目 | 用途 | 金额(元) | 备注 |
论文版面费 | | | |
专利申请费 | | | |
调研、差旅费 | | | |
打印、复印费 | | | |
资料费 | | | |
试剂等耗材费 | 实验所需材料 | 8000 | |
元器件、软硬件测试、小型硬件购置费 | 用于产品的测试表征 | 11911 | |
其它 | | | |