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RTM用低粘度环氧树脂研究

第25卷 第3期

2003年3月

武 汉 理 工 大 学 学 报

JOURNAL OF W UHAN UN IVERSIT Y OF TECHNOLOG Y

V o l .25 N o.3 M ar .2003

文章编号:167124431(2003)0320010203

R TM

用低粘度环氧树脂研究3

杨学忠 杨小利 段华军 王 钧(武汉理工大学)

 

摘 要: 将低粘度交联剂加入以酸酐为固化剂的环氧树脂体系中,能有效地降低酸酐2环氧树脂体系的粘度,得到室温下仅为0.08Pa ?s 的树脂体系。通过D SC 验证树脂体系中存在交联剂与酸酐、酸酐与环氧基的2步反应,并确定了树脂在100℃凝胶、150℃下固化的工艺制度;利用正交实验优选了树脂配方,该配方能获得优异的力学性能及物理性能。该树脂体系适合于R TM 及湿法制造高性能复合材料。关键词: 环氧树脂; 酸酐; 低粘度中图分类号: TQ 323

文献标识码: A

收稿日期:2002209204.

作者简介:杨学忠(19612),男,副编审;武汉,武汉理工大学出版社(430070).3教育部跨世纪骨干教师资助项目(2001.3).

环氧树脂是制备高性能复合材料重要的基体材料之一,赋予复合材料良好的力学性能和物理性能,随着

复合材料行业的飞速发展,新的成型加工方法不断涌现,对所使用的树脂基体提出了较高的要求。R TM (R esin T ran sfer M o lding )是广泛用在航天航空、汽车、机械、电子及建筑等领域的一种先进复合材料制备方法,主要使用的树脂品种为不饱和聚酯树脂(U P )。针对目前使用的环氧树脂由于粘度较高,限制了环氧树脂在R TM 成型中的应用,研究满足R TM 工艺要求的低粘度、高性能环氧树脂体系能拓宽R TM 工艺的应用领域,同时能极大的提高复合材料的性能[1~3]。通过制备的一类交联剂、改性酸酐与E 244环氧树脂组成一个共混树脂体系,利用差示扫描量热法(D SC )对该共混体系的固化特性进行了研究,确定了较合理的固化制度,测试了该共混树脂体系粘度、温度对粘度的影响,以及浇铸体的力学性能和物理性能。

1 实 验

1)原材料 双酚A 型环氧树脂E 244,环氧值0.44,岳阳石化环氧树脂厂生产;改性酸酐,白色固体粉

末,酸酐当量168,熔点86℃自制;交联剂,非环氧类无色低粘度液体,自制。

2)仪器设备 PYR S 1D SC ,美国Perk in 2E l m er 公司;NDJ 28数字式粘度计,上海精密科学仪器有限公司;R GT 230微机控制电子万能材料试验机,深圳瑞格尔有限公司;CS 10123EBN 烘箱,重庆永恒实验仪器厂。

3)试样制备 按表1称量好各组分,将环氧树脂、改性酸酐加入烧杯中,在搅拌下加热到90℃。直至酸

酐溶解完全,树脂呈透明液体状态,冷却到60℃以下加入交联剂,搅拌均匀。将配制好的树脂倒入模具中按确定的固化制度进行固化,测试弯曲强度结果见表2。

4)性能测试 树脂浇铸体的力学性能与物理性能测试均按相应GB 进行。

2 结果与讨论

2.1 交联剂对树脂固化特性的影响

用D SC 测定树脂的固化放热曲线,见图1、图2。对应树脂配方分别为,图1为环氧树脂100份加固化剂75份;图2为环氧树脂100份加固化剂75份及交联剂25份。

RTM用低粘度环氧树脂研究

图1 未加交联剂的酸酐2环氧体系D SC

RTM用低粘度环氧树脂研究

曲线图2 加入交联剂的酸酐2环氧体系D SC 曲线

由图1可以看出没加交联剂的树脂体系中放热峰拐点位置对应的温度为94℃,最高放热峰在116℃出现;由图2可以看出加入交联剂后,在60℃就会出现放热,最高放热峰在140℃出现。说明加入交联剂能降低起始反应温度,从最高放热峰的位置向高温方向移动表明加入交联剂能加剧固化反应的进行。2.2 交联剂用量、温度和时间对树脂粘度的影响

RTM用低粘度环氧树脂研究

RTM用低粘度环氧树脂研究

利用旋转粘度仪测试环氧树脂中加入交联剂前后树脂粘度值见图3,由图3可以看出交联剂的加入能有效的降低树脂的粘度。同时测定树脂在室温及50℃恒温下的粘度变化见图4,由图4可以看出该改性树脂体系在室温下有较长的适用期,当加热到50℃树脂粘度逐渐增大,在6h 后出现激增,从D SC 图可以看出该改性树脂体系第一步反应在50℃条件下即开始进行并有放热发生,放出的热量又促进反应的进行,使树脂粘度急剧增大。

图3 交联剂用量对树脂粘度的影响图4 温度和时间对树脂粘度的影响

2.3 树脂配方的优化

按正交表L 9(34)优化树脂配方及固化工艺制度[4],其中100份环氧树脂中,固化剂选用3个水平为67份、75份、80份;交联剂选用3个水平为0份、30份、35份;固化温度选用3个水平为140℃、150℃、160℃;固化时间选用3个水平为2h 、3h 、5h 。测试弯曲强度为考评结果,见表2。

表1 树脂配方及固化因素水平表

固化剂量w %

交联剂量w %

固化温度 ℃

固化时间 h

水平16701302水平275301403水平3

80

35

150

5

由表2可以看出在正交表中,固化剂量栏中最大值出现在第 水平,由正交原理可知固化剂用量为75份时效果最好;同样可得出,交联剂量为30份时效果最好;固化温度及时间为150℃、3h 效果最好。

由表2各因素极差可以看出,极差最大为固化剂用量,其次为固化温度,影响最小为固化时间。由正交原理可知固化剂用量对树脂性能影响最大,这是由于环氧树脂与酸酐固化反应为逐步加成反应,固化剂用量直接影响固化体系中三向网络的形成,对固化后的力学性能影响最大。由于化学反应只有越过活化能才能进行,固化温度对该反应的影响也较大。交联剂的加入能提高树脂的弯曲强度。

1

1第25卷 第3期 杨学忠等:R TM 用低粘度环氧树脂研究

表2 各水平及因素对弯曲强度的影响

因素固化剂量w %

A

交联剂量w %

B

温度 ℃

C

固化时间 h

D

弯曲强度

M Pa

1A1(67)B1(0)C1(130)D1(2)86 2A1(67)B2(30)C2(140)D2(3)90 3A1(67)B3(35)C3(150)D3(5)96 4A2(75)B1(0)C2(140)D3(5)110 5A2(75)B2(30)C3(150)D1(2)126 6A2(75)B3(35)C1(130)D2(3)104 7A3(80)B1(0)C3(150)D2(3)120 8A3(80)B2(30)C1(130)D3(5)102 9A3(80)B3(35)C2(140)D1(2)97 272316292309

340318297314

319297342308

极差值6821506

由上分析可以得出树脂优选配方及工艺参数为:环氧树脂100份、酸酐固化剂75份、交联剂30份组成的改性树脂体系,固化温度150℃,固化时间3h。

2.4 优选配方力学及物理性能

表3 改性环氧树脂浇铸体的力学及物理性能

测试项目结果测试项目结果拉伸强度 M Pa87体积电阻率Θv (8?Cm)4.2×1015

拉伸模量 GPa4.5表面电阻率Θs (8?Cm)6×1013弯曲强度 M Pa131介电常数Ε4.2

弯曲模量 GPa2.8介质损耗角正切tan?3×10-3冲击韧性 (kJ?m-2)16.2马丁耐热 ℃205

改性环氧树脂优选配方的力学及物理性能见表3。由表3可以看出该改性环氧树脂体系具有较优异的力学及物理性能。

3 结 论

a.在酸酐固化环氧树脂中,通过加入低粘度非环氧交联剂能有效的降低树脂体系的粘度。该树脂体系在室温下有较长的适用期,加热到50℃以上又能快速发生反应,使树脂粘度激增。

b.由D SC可以确定非环氧交联剂能在树脂中发生化学反应。

c.通过正交实验优选出该树脂配方为E244环氧树脂100份、酸酐固化剂75份、交联剂30份时树脂性能最优。

d.该树脂体系具有低粘度、高反应性、优异的力学及物理性能非常适合R TM工艺的树脂的要求。

e.该方法为环氧树脂改性探索出了一条新的途径。

参考文献

[1] 张 锬,段越新.树脂传递模塑工艺专用低粘度环氧树脂体系研究[J].高分子材料科学与工程,2000,16(1):86~88.

[2] 焦 剑,蓝立文.一种中温固化环氧树脂的研究[J].复合材料学报,2000,17(2):8~11.

[3] 梁志勇,段越新.EPON862环氧树脂体系化学流变特性研究[J].复合材料学报,2001,18(1):16~19.

[4] 欧阳国恩,欧国荣.复合材料试验技术[M].武汉,武汉工业大学出版社,1993.

Study on L ow V iscosity Epoxy Resi n Used for RT M

Y ang X uez hong Y ang X iaoli D uan H uajun W ang J un

Abstract: In th is paper,self2m ade cro ss2link ing agen t w as added to epoxy resin system w h ich u se modified anhydride as cu ring agen t to decrease the visco sity of the resin to0.8Pa?s at room temperatu re.D SC test verified that there is tw o step s of reacts ex ist du ring cu ring.O ne is cro ss2link ing agen t react w ith modified anhydride and the o ther is anhydride react w ith epoxy group s.T he cu ring m ethod of the resin w as also determ ined as100℃fo r gel and150℃fo r cu ring.T he fo rm u lati on of the resin w as op ti m ized by regress analysis.It is p roved that the resin system is su itab le fo r R TM and w et lay2up p rocess to m ake h igh perfo rm ance compo site.

Key words: epoxy resin; anhydride; low visco sity

Yang Xuezhong: Sen i o r Edito r,P ress of W uhan U n iversity of T echno logy,W U T,W uhan430070,Ch ina.

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