Impressive epoxy toughening by a structure-engineered core/shell polymer nanoparticle

材料科学 环氧树脂 开裂 复合材料 玻璃化转变 极限抗拉强度 聚合物 丙烯酸酯 甲基丙烯酸酯 乳液聚合 断裂韧性 丙烯酸丁酯 聚合 纳米颗粒 韧性 甲基丙烯酸甲酯 共聚物 纳米技术
作者
Na Ning,Wanshuang Liu,Qiaole Hu,Liying Zhang,Qiuran Jiang,Yiping Qiu,Yi Zhe Wei
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:199: 108364-108364 被引量:85
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2020.108364
摘要

Five polymer nanoparticles with different compositions and morphologies are prepared from methyl methacrylate, butyl acrylate and ethylene glycol dimethacrylate via aqueous emulsion polymerization. All the nanoparticles keep a discrete dispersion state when transferred into epoxy resin using a phase-transfer method. The addition of these nanoparticles almost has no impact on the cure and glass transition temperature of matrix resin. However, the results of mechanical tests demonstrate a clear correlation between nanoparticle structures and their effectiveness on toughening epoxy resins. Particularly, a soft core/rigid shell nanoparticle (B/M), represented by a 50/50 polybutyl acrylate core with a polymethyl methacrylate shell, shows an impressive toughening effect on the epoxy matrix. The addition of 10 wt% B/M gives 220% and 851% enhancement in critical stress intensity factor (KIC) and the critical strain energy release rate (GIC), respectively. Stress-induced whitening and cold drawing observed during tensile straining confirm the significant enhancement in fracture toughness. The microscopy observations show evidences of plastic void growth followed by the formation of plastic deformation, yielding and crazing, which absorb a significant amount of energy and inhibit crack propagation.
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