芳綸纖維_環(huán)氧樹脂復(fù)合材料固化工藝的研究

1、第14卷第3期200019沈陽化工學(xué)院學(xué)報JOURNALOFSHENYANGINSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGYVol.14No.3Sep.2000文章編號:1004-4639(2000)03-0201-04芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料固化工藝的研究邱軍,魏良明(沈陽化工學(xué)院,遼寧摘要:./環(huán)氧樹脂復(fù)合材料模壓工藝.結(jié)果表明:可用室溫浸膠,50保溫015h,755,加壓后升溫至100,固化3h,保壓18MPa.固化后自然降至室溫的固化工藝,可以合理地控制芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料模壓樣品的質(zhì)量,保證其優(yōu)異性能的發(fā)揮.關(guān)鍵詞:芳綸纖維;復(fù)合材料;固化工藝中圖分類號:TQ327

2、.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A芳綸纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料是70年代發(fā)展起來的高性能結(jié)構(gòu)材料,在航天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域中占有顯赫的地位,現(xiàn)已成為新一代戰(zhàn)略洲際導(dǎo)彈研制的關(guān)鍵性材料.在增強(qiáng)材料芳綸纖維中,目前以俄羅斯生產(chǎn)的APMOC纖維的綜合性能最佳,它是一種含有芳雜環(huán)的聚芳酰胺纖維1.芳綸纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料簡稱AFRP(AramidFiberReinforcePlastic).AFRP的性能除與基體樹脂、增強(qiáng)纖維性能有關(guān)外,還與其成型工藝密切相關(guān).AFRP成型的條件、樹脂含量的穩(wěn)定性、材料性能的均勻性等直接影響復(fù)合材料的綜合性能.要想最大限度發(fā)揮芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的優(yōu)異性能,確定合理的成型工藝

3、至關(guān)重要.本文研究芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的成型條件及影響因素,并且通過大量實(shí)驗(yàn)確定合理的成型工藝,為芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的改性研究和實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).咪唑:天津市化學(xué)試劑廠生產(chǎn).112模壓件層間剪切強(qiáng)度(ILSS)的測定按AFRP模壓件成型工藝制得模壓件,將其均勻截成7段,規(guī)格為:長(25±1)mm,寬615mm,厚(2±011)mm.ILSS的測試按GB23357282的標(biāo)準(zhǔn)在WD21型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.113模壓件制備工藝(1)膠液配制按環(huán)氧樹脂22乙基242甲基2咪唑=1007配制膠液,保持膠溫30.(2)施膠30膠液恒溫20min,不斷攪拌以保證樹

4、脂與固化劑均勻混合,并且具有良好的流動性.均勻涂膠于纖維上,經(jīng)擠壓使纖維與樹脂良好浸漬后,放入模具中.(3)固化成型按樹脂基體固化工藝進(jìn)行固化成型,使樹脂與纖維進(jìn)行浸潤與粘合.并通過樹脂固化,使AFRP成為統(tǒng)一整體.1實(shí)驗(yàn)部分111主要原材料APMOC纖維:俄羅斯化學(xué)纖維聯(lián)合體生產(chǎn);環(huán)氧E251;無錫樹脂廠生產(chǎn);22乙基242甲基2收稿日期:1999-12-082實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論作者簡介:邱軍(1969-),男,黑龍江富裕人,講師,碩士,主要從事塑料及復(fù)合材料改性研究.© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing Ho

5、use. All rights reserved. 202沈陽化工學(xué)院學(xué)報2000年3211模壓成型的主要影響因素R固化工藝對模壓件的性能有著重要的影響.同樣的纖維與樹脂,按不同固化工藝可制得性能相差懸殊的復(fù)合材料.主要影響因素包括:(1)保溫溫度與保溫時間已浸膠的纖維進(jìn)行熱固化成型時,首先必須在未固化前保溫一定時間,脂充分浸潤.,浸潤效果好.另外,在保溫過程中可以排除樹脂中的氣泡,浸潤時間長,可使氣泡充分排除,減少材料中的缺陷.(2)加壓時機(jī)AFRP成型時,為使樹脂與纖維結(jié)合牢固,CHOHCH2CH2CH2CH2ORCH2RCH2CH3CH2RCH2聚合,使樹脂,造成局部層固化,當(dāng)溫度向內(nèi)層

6、傳遞時,少量未揮發(fā)的氣體小分子難于通過已固化的外層排出,從而會產(chǎn)生氣泡造成缺陷.當(dāng)然較低溫度可以避免膠液過早固化,但溫度太低,樹脂交聯(lián)反應(yīng)不完全,導(dǎo)致材料性能下降.(4)質(zhì)量分?jǐn)?shù)AFRP作為固體發(fā)動機(jī)殼體材料,外載荷主要由APMOC纖維承擔(dān).樹脂基體使纖維定位、傳遞載荷和使應(yīng)力重新分配,以充分發(fā)揮纖維強(qiáng)度.AFRP的強(qiáng)度可表示為2:c=ff+rr式中纖維和樹c、f、r分別為復(fù)合材料、r分別為纖維和樹脂基體在脂基體的強(qiáng)度.f、復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù).因?yàn)閞值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于f值,由上式可知要提高c,必須設(shè)法提高f值,盡可能使質(zhì)量分?jǐn)?shù)低些.但質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低,使得復(fù)合材料缺膠,導(dǎo)致其強(qiáng)度降低.固此,質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控

7、制成為制備AFRP的關(guān)鍵因素.同一條件下實(shí)驗(yàn)制備了大量芳綸纖維/環(huán)氧樹脂模壓樣品,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層間剪切強(qiáng)度有密切關(guān)系,如圖1所示.保持一定質(zhì)量分?jǐn)?shù),必須拖加一定壓力.加壓時機(jī)決定著材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù).加壓早,會使樹脂從模具兩端流出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低;加壓晚,樹脂便會凝膠,膠液不會流出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能控制.質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于AFRP的力學(xué)性能影響顯著,加壓時機(jī)選擇極為關(guān)鍵.(3)固化溫度與固化時間環(huán)氧樹脂與固化劑22乙基242甲基2咪唑,必須在100條件下才能發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而固化.固化反應(yīng)如下:3CH2CH33N+2OCH2RCH2OCH2RH+轉(zhuǎn)移CH2CH3CHRCH3CH2OHCHRCH2圖1芳綸纖維/環(huán)氧

8、樹脂復(fù)合材料CH2OCH2R質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層間剪切強(qiáng)度的關(guān)系CH2CH3文獻(xiàn)3闡述了玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層間剪切強(qiáng)度的關(guān)系,與本文的結(jié)論是© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期邱軍等:芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料固化工藝的研究203類似的.可見,質(zhì)量分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定性對復(fù)合材料的力學(xué)性能起到重要作用.因此,必須設(shè)計合理的固化工藝,使得每次制得的樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持穩(wěn)定.212固化工藝的選擇附表AFRP模壓件質(zhì)量分?jǐn)?shù)平行性比較次數(shù)123457工藝(1)質(zhì)

9、量分?jǐn)?shù)2513211720142118222102311719工藝(2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)241724142418241624192414241224172416110分析AFRP成型中影響因素,其中加壓時機(jī)對質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大.化條件為:保溫溫度50,01,溫度100,機(jī),實(shí)驗(yàn)對比了2,如圖2(1)和(2)所示.平均值變異系數(shù)從附表可明顯看出,固化工藝(2)制得樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)特別穩(wěn)定,變異系數(shù)只有110%.而固化工藝(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大,其最大值2513%,最小值只有2014%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差接近4%.按固化工藝(1)制備模壓件,不能保證質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有很好的平行性,使ILSS的可比性降低.(2)兩個固化工

10、藝可以看出,分析上述(1)、加壓時機(jī)選擇相當(dāng)重要.固化工藝(1)是50保溫015h后便加壓,從樹脂與固化劑按比例混合升溫實(shí)驗(yàn)可看到,此時樹脂很稀,極易流動,此時加壓會使材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)過小,同時由于樹脂流動造成纖維位移等使質(zhì)量分?jǐn)?shù)不夠穩(wěn)定.而在75保溫5min后開始加壓,可以看到75時樹脂粘度已開始明顯加大,流動性降低,此時加壓,既保證樹脂部分流出,又不能造成纖維大量位移,缺陷小,質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定.3結(jié)論圖2AFRP模壓件固化工藝(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較大,合理控制質(zhì)量分?jǐn)?shù)是復(fù)固化工藝(1):在室溫下勻速升溫至50,保溫015h,然后加壓180MPa,再升溫至100,

11、保溫3h,然后自然降溫至室溫;固化工藝(2):在室溫下勻速升溫至50,保溫015h,此時不加壓力.充分浸潤后,升溫至75,保溫5min后,加壓180MPa,繼續(xù)升溫至100,保溫3h,然后自然冷卻至室溫.按照這2種固化工藝制得樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如附表所示.合材料成型工藝的重要因素.而加壓時機(jī)的選擇是控制質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)鍵.(2)芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料模壓成型的工藝條件為:室溫浸膠,50保溫015h,75保溫5min,加壓180MPa,然后升溫至100,保溫3h,固化后自然降至室溫.(3)按照此工藝可使芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在2416%左右,變異系數(shù)為110%,其ILSS值為5814

12、MPa.© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 204沈陽化工學(xué)院學(xué)報2000年2肖長發(fā).纖維復(fù)合材料M.北京:石化出版社,1995.273.3盧天建,等.環(huán)氧復(fù)合材料基體對層間剪切強(qiáng)度的參考文獻(xiàn):1趙克熙.原蘇聯(lián)芳綸復(fù)合材料進(jìn)展及其在固體發(fā)動機(jī)殼體上的應(yīng)用J.宇航材料工藝,1995,5:9-13.影響J.西安交通大學(xué)學(xué)報,1990,24(3):24-27.StudyonShapingofQIUJun,WEILiang2ming(ShenyangInsti

13、tuteofChemicalTechnology,Shenyang110021,China)Abstract:Theeffectofmoldingprocessontheperformanceofaramidefiberreinforcingepoxyresincompositewasinvestigated.Theproperconditionswereasfollows:fibersoakingatroomtemperature,maintainingtemperatureat50for0.5h,then75for5min,atelevatedtemperature100,main2tai

14、ningpressere180MPa,curingtime3h,coolingnaturallydowntoroomtemperature.Theresultsshowedthatthequalityofthecompositecanbecontroledanditsexcellentperformancecanbeachieved.Keywords:aramidfiber;composite;shapingprocess常見的法定單位和非法定單位及其換算關(guān)系表量名稱轉(zhuǎn)速,旋轉(zhuǎn)頻率符號n法定單位名稱每秒轉(zhuǎn)每分轉(zhuǎn)每秒轉(zhuǎn)每小時符號s-1r/minr/sr/hkgtuMggmg米制克拉非法定單位名稱轉(zhuǎn)每分符號rpm常用倍數(shù)單位與SI單位的換算系數(shù)質(zhì)量m千克噸原子質(zhì)量單位cargroztonlbqrcwt2×10-4kg36.479891×10