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壳聚糖交联环氧树脂及其复合材料性能研究

摘要

近年来，采用可持续材料改性环氧树脂获得高性能热固性材料的发展需求日益增长。

在众多生物材料中，壳聚糖因其易于进行结构修饰而备受瞩目。本文通过化学改性的方

法合成了一系列具有高韧性和耐腐蚀性的壳聚糖交联环氧树脂，并选用合成树脂制备碳

纤维复合材料，对树脂及其复合材料的性能进行了系统的研究。

本文以4,4′-亚甲基二（异氰酸苯酯）（MDI）为桥接剂，合成了不同MDI含量的

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壳聚糖交联环氧树脂（CE-1～3），并通过傅里叶红外光谱（FT-IR）和核磁共振氢谱（H

NMR）确定其结构。以4,4′-二氨基二苯基甲烷(DDM)为固化剂，将固化后的CE/DDM

与市售环氧树脂(E51/DDM)进行对比，结果表明固化后CE-3/DDM的抗拉强度达到90.17

MPa，断裂伸长率为11.2%，临界应力强度因子(KIC)为1.78MPam1/2。这些结果分别比

E51/DDM高21.4%、151.6%和81.6%。同时生物质材料壳聚糖的加入并没有降低树脂的

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热稳定性。此外，与E51涂层（阻抗值为10Ω；腐蚀电压为-0.563V）相比，CE涂层

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在电化学阻抗谱中的阻抗值（10Ω）和Tafel曲线上的腐蚀电压（-0.448V）更高，证明

了CE涂层具有优异的耐腐蚀性。

在CE-3树脂的基础上，通过更换异氰酸酯，获得了具有不同异氰酸酯结构的壳聚

糖交联环氧树脂（CTE与CHE）并讨论所用二异氰酸酯的结构对壳聚糖交联环氧树脂

的性能的影响。相比于CE/DDM，CTE/DDM与CHE/DDM因结构中缺乏苯环而导致强

度和热稳定性下降；同时，CHE/DDM表现出最高的断裂韧性，达到1.87MPam1/2。此

外，与CE涂层相比，CHE涂层的Tafel曲线也表现了最高的腐蚀电压与最小的腐蚀电

流密度；EIS谱图的阻抗值也高出CE涂层两个数量级，证明了CHE涂层的优秀的耐腐

蚀性。

最后，为了研究改善树脂基体对树脂基复合材料性能的影响，将获得的壳聚糖交联

环氧树脂与碳纤维进行复合。机械性能的测试结果表明碳纤维/壳聚糖交联环氧树脂复

合材料CF/CE/DDM的拉伸强度、弯曲强度、剪切强度分别为816.10MPa、914.61MPa、

72.22MPa，分别比碳纤维/E51环氧树脂复合材料CF/E51/DDM高出了74.80%、32.66%、

28.56%。此外，吸水性测试表明复合材料具有较低的吸水率，均低于1.1%。

关键词：壳聚糖；环氧树脂；化学交联；机械性能；耐腐蚀性

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壳聚糖交联环氧树脂及其复合材料性能研究

ABSTRACT

Inrecentyears,thedemandforhigh-performancethermosettingmaterialsmodifiedby

epoxyresinswithsustainablematerialshasbeenincreasing.Amongmanybiomaterials,

chitosanhasattractedmuchattentionbecauseofitseasystructuralmodification.Inthispaper,

aseriesofchitosancrosslinkedepoxyresinswithhightoughnessandcorrosionresistancewere

synthesizedbychemicalmodification,andcarbonfibercompositeswere