In-situ hybridization of an epoxy resin using polyurethane and MXene nanoplatelets for thermally stable nanocomposites with improved strength and toughness

材料科学 复合材料 断裂韧性 环氧树脂 聚氨酯 纳米复合材料 韧性 极限抗拉强度 抗弯强度 热稳定性 复合数 原位聚合 脆性 聚合物 聚合 化学工程 工程类
作者
Yi Hu,Junzhen Chen,Guoyu Yang,Yujun Li,Ming Dong,Qi Li,Hongna Yuan,Han Zhang,Nicola M. Pugno,Jianjun Jiang,Dimitrios G. Papageorgiou
出处
期刊:Polymer [Elsevier BV]
卷期号:302: 127065-127065 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.polymer.2024.127065
摘要

A novel ternary composite system has been developed by combining MXene nanoplatelets with pre-polyurethane (PU) and an epoxy (EP) resin through in-situ polymerization and solution blending. Our approach aims to enhance the strength and toughness of the EP matrix while maintaining its thermal stability. The strong compatibility between isocyanate-terminated PU and hydroxyl-terminated MXene with the resin was demonstrated through chemical grafting and hydrogen bonding processes. In this ternary composite, significant improvements were observed, including a 32% increase in tensile strength, a 46.4% increase in flexural strength, and a 13.4% increase in fracture toughness, even at very low filler contents of 0.05 wt.% for MXene and 1 wt.% for PU. A thorough examination of the fractured surfaces revealed the underlying mechanisms responsible for the improved strength and toughness. These mechanisms involve a transition from a brittle to a ductile fracture mode, which can be attributed to the combined effects of thermoplastic toughness, strong chemical bonding between PU and EP, and crack-anchoring and bridging effects facilitated by MXene nanoplatelets. The results presented herein are relevant to a wide range of applications in aerospace, automotive, electronics and various other industries where durability and thermomechanical performance of materials are critical.
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