玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備

1、綜合實(shí)驗(yàn)研究玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備院 系：航空航天工程學(xué)部專(zhuān) 業(yè)：高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)教師：于祺學(xué)生姓名：王娜目錄第1章 概述1.1 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀1.2 本次試驗(yàn)的目的及方法第2章 手糊法制備玻纖/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料2.1實(shí)驗(yàn)原料2.1.1環(huán)氧樹(shù)脂2.1.2玻璃纖維2.1.3咪唑固化劑2.1.4活性稀釋劑2.2手糊成型簡(jiǎn)介2.4實(shí)驗(yàn)部分2.4.1實(shí)驗(yàn)儀器2.4.2實(shí)驗(yàn)步驟第3章 力學(xué)性能測(cè)試3.1剪切強(qiáng)度3.2彎曲強(qiáng)度3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析3.3.1 浸膠的用量及均勻度3.3.2 固化時(shí)間與溫度的影響3.3.3 活性稀釋劑的用量第4章 結(jié)論與展望4.1

2、結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)第1章 概述1.1 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)材的研究現(xiàn)狀EP/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料是目前研究比較成熟、應(yīng)用最廣的一種復(fù)合材料。EP/GF復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異、原料來(lái)源廣泛、工藝性好、加工成型簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn),并具有材料可設(shè)計(jì)性及特殊的功能性如屏蔽電磁波、消音等特點(diǎn),現(xiàn)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和科技發(fā)展中無(wú)法代替的重要材料。且復(fù)合材料的研究水平已成為一個(gè)國(guó)家或地區(qū)科技經(jīng)濟(jì)水平的標(biāo)準(zhǔn)之一。目前美，日，西歐的水平較高，北美，歐洲，日本的產(chǎn)量分別占33%，32%，30%。毋庸置疑，EP/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料的質(zhì)量輕，高強(qiáng)度等優(yōu)于金屬的

3、特性，會(huì)在某些領(lǐng)域更廣泛的使用，目前復(fù)材的粘接性能與力學(xué)性能成為主要的研究方面。目前主要的成型方法有手糊成型，纏繞成型，熱壓管成型，RTM成型，拉擠成型。1.2 本次試驗(yàn)的目的及方法實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自行設(shè)計(jì)采用一種固化體系，用手糊成型方法制備EP/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料，再測(cè)量材料的力學(xué)性能如，彎曲，剪切。目的在于1，了解材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)所涉及到的設(shè)備的基本使用。2，掌握環(huán)氧樹(shù)脂固化體系的配置及設(shè)計(jì)。3，對(duì)手糊成型操作了解，及查找文獻(xiàn)完成論文的能力。就此要求我們第2組采用環(huán)氧樹(shù)脂E-44，20cm×20cm的玻璃纖維布15張，用咪唑固化劑并加入稀釋劑防止體系過(guò)粘。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定咪唑固

4、化環(huán)氧樹(shù)脂的最佳固化條件：60/2h+80/2h，制備了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，之后將制備的樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其層間剪切強(qiáng)度為5.750Mpa，彎曲強(qiáng)度為127.64Mpa。第2章 手糊法制備玻纖/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料2.1 實(shí)驗(yàn)原料2.1.1環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂是含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的環(huán)氧基，并在適當(dāng)?shù)脑噭┑淖饔孟履軌蚪宦?lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一類(lèi)聚合物。它是一類(lèi)具有良好粘接、耐腐蝕、電氣絕緣、高強(qiáng)度等性能的熱固性高分子合成材料。其中，雙酚A縮水甘油醚型環(huán)氧樹(shù)脂的原材料來(lái)源方便、成本低，所以在環(huán)氧樹(shù)脂中它的應(yīng)用最廣，產(chǎn)量最大，約占環(huán)氧樹(shù)脂總量的85%以上9。其化學(xué)結(jié)構(gòu)如下：3H2CH3OCH2CHCH

5、2HCH2OOCH2OHnO從環(huán)氧樹(shù)脂本身的結(jié)構(gòu)分析，其主要特點(diǎn)如下：（1）良好的加工性 未固化的環(huán)氧樹(shù)脂本身分子間的內(nèi)聚力小，分子有擴(kuò)展的傾向，故樹(shù)脂的流動(dòng)性好，且易于和固化劑及其他材料如填充劑等混合，因此有良好的加工性。（2）粘著性強(qiáng) 由于樹(shù)脂中的脂肪族羥基、醚鍵和環(huán)氧基的存在，這些極性基能與含有金屬、硅酸鹽、活潑氫的材料表面產(chǎn)生較強(qiáng)的分子間作用力或發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵，因此環(huán)氧樹(shù)脂的粘著性很強(qiáng)，有萬(wàn)能膠之稱(chēng)。（3）可低壓成型且收縮率小 環(huán)氧樹(shù)脂通常在固化時(shí)沒(méi)有低分子副產(chǎn)物產(chǎn)生，所以不會(huì)產(chǎn)生氣泡，可以低壓成型，而且收縮率小，它的熱膨脹系數(shù)也很?。ㄒ话銥?.0×10-5 -1），環(huán)氧

6、樹(shù)脂是熱固性樹(shù)脂中收縮率最小的一種，在100固化時(shí)收縮率為0.5%，在200固化時(shí)為2.3%。（4）化學(xué)穩(wěn)定性好 環(huán)氧樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)中無(wú)酚性羥基，又無(wú)酯鍵，所以其耐堿性比酚醛樹(shù)脂和聚酯樹(shù)脂要好，此外，在固化后的體形結(jié)構(gòu)中有穩(wěn)定的苯環(huán)和醚鍵，故耐酸性、耐溶劑性以及耐水性也很好，在室溫下吸水率在0.5%以下。 4（5）有較好的力學(xué)性能 環(huán)氧樹(shù)脂固化以后，在交聯(lián)點(diǎn)間有一定的距離，中間鏈除含苯環(huán)外還有兩個(gè)醚鍵，具有一定的活動(dòng)性，因而脆性較小，基本屬于硬而強(qiáng)韌性的材料，所以具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。另外與酚醛樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂比較，環(huán)氧樹(shù)脂也具有較好的介電性能。2.1.2 玻璃纖維布 玻璃纖維（英文原名為：glas

7、s fiber或fiberglass ）是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，種類(lèi)繁多，優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是性脆，耐磨性較差。玻璃纖維布是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直徑為幾個(gè)微米到二十幾米個(gè)微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的 1/20-1/5 ，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。我國(guó)生產(chǎn)的玻璃布，分為無(wú)堿和中堿兩類(lèi)，國(guó)外大多數(shù)是E-GLASS無(wú)堿玻璃布。玻璃布主要用于生產(chǎn)各種電絕緣層壓板、印刷線路板、各種車(chē)輛車(chē)體、貯罐、船艇、模具等。中堿玻璃布主要用于生產(chǎn)涂塑包裝布，以及用于耐腐蝕場(chǎng)合?？椢锏奶匦杂衫w維性能、經(jīng)緯密

8、度、紗線結(jié)構(gòu)和織紋所決定。經(jīng)緯密度又由紗結(jié)構(gòu)和織紋決定。經(jīng)緯密加上紗結(jié)構(gòu)，就決定了織物的物理性質(zhì)，如重量、厚度和斷裂強(qiáng)度等。有五種基本的織紋：平紋plan(類(lèi)似方格布)、斜紋twill(一般+-45度)、緞紋statin(類(lèi)似單向布)、羅紋leno(玻璃纖維網(wǎng)格布主要織法)和席紋matts(類(lèi)似牛津布)。其分類(lèi)：1、按成分：主要是中堿、無(wú)堿、高堿（是對(duì)玻璃纖維中堿金屬氧化物的成分進(jìn)行分類(lèi)），當(dāng)然也還有由其它成分進(jìn)行的分類(lèi)，但品種太多，不一一列舉2、按制造工藝：坩堝拉絲和池窯拉絲。3、按品種：有合股紗、直接紗、噴射紗等。另外，就是按單纖維直徑、TEX數(shù)、捻度、浸潤(rùn)劑類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分。玻璃纖維布的分類(lèi)

9、與纖維紗的分類(lèi)是相通的，除了上述以外，還包括：織法、克重、幅度等。2.1.3 咪唑固化劑常用的咪唑類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂固化劑包括咪唑, 2-甲基咪唑, 2-乙基-4-甲基咪唑, 2-苯基咪唑等,與一般的環(huán)氧樹(shù)脂固化劑相比,它具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):(1) 用量少(一般為樹(shù)脂用量的0. 5%10% ),揮發(fā)性低,毒性小。(2) 固化活性較高,中溫條件下短時(shí)間即可固化。(3) 固化物熱變形溫度高,有優(yōu)異的耐化學(xué)介質(zhì)性能、電絕緣性能力學(xué)性能。(4) 除用作主固化劑外,還可作為助固化劑和固化促進(jìn)劑,能夠明顯改善環(huán)氧樹(shù)脂固化體系的性能。咪唑類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂固化劑除上述優(yōu)點(diǎn)外,還存在一些缺點(diǎn)和問(wèn)題,具體表現(xiàn)在:(1) 咪

10、唑類(lèi)化合物多為高熔點(diǎn)的結(jié)晶固體粉末,與液態(tài)的環(huán)氧樹(shù)脂混合困難,工藝性能較差。(2) 咪唑類(lèi)固化劑在高溫下有一定的揮發(fā)性和吸濕性。(3) 品種較少,不能滿(mǎn)足特殊的施工工藝以及對(duì)固化物的某些特定要求。(4) 常用咪唑類(lèi)固化劑由于固化活性較高,因此與環(huán)氧樹(shù)脂混合后適用期較短,不能作為單組分體系較長(zhǎng)時(shí)間貯存。 咪唑類(lèi)的固化機(jī)理：咪唑類(lèi)固化劑分子中存在1位仲胺氮原子和3位叔胺氮原子它對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行固化反應(yīng)時(shí)一般認(rèn)為咪唑環(huán)上的3位氮原子首先使環(huán)氧樹(shù)脂上的環(huán)氧基開(kāi)環(huán)，當(dāng)1位氮原子上存在氫原子時(shí)，發(fā)生氫原子轉(zhuǎn)移，然后1位氮原子在與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)，形成1:2加成產(chǎn)物；當(dāng)1位氮原子上存在取代基時(shí)1位氮原子不與環(huán)氧樹(shù)

11、脂發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)僅3位氮原子使環(huán)氧樹(shù)脂中的環(huán)氧基開(kāi)環(huán)形成1：1產(chǎn)物。最后環(huán)氧基開(kāi)環(huán)產(chǎn)生的氧負(fù)離子繼續(xù)催化環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)環(huán)聚合。2.1.4 活性稀釋劑活性稀釋劑按其每個(gè)分子所含反應(yīng)性基團(tuán)的多少，可以分為單官能團(tuán)活性稀釋劑和多官能團(tuán)活性稀釋劑。單官能團(tuán)活性稀釋劑每個(gè)分子中僅含一個(gè)可參與固化反應(yīng)的基團(tuán)，如甲基丙烯酸-羥乙酯(HEMA)。多官能團(tuán)活性稀釋劑是指每個(gè)分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上可參與固化反應(yīng)基團(tuán)的活性稀釋劑，如1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)。采用含較多官能團(tuán)的單體，除了增加反應(yīng)活性外，還能賦予固化膜交聯(lián)結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椋瑔喂倌軋F(tuán)單體聚合后只能得到線形聚合物，而多官能團(tuán)的單體可得到高交聯(lián)度網(wǎng)絡(luò)。

12、2.2手糊成型簡(jiǎn)介手糊成型是指用手工或在機(jī)械輔助下將增強(qiáng)材料和熱固性樹(shù)脂鋪覆在模具上，使樹(shù)脂固化后形成復(fù)合材料的一種成型方法。手糊成型工藝包括7：（一）原材料的準(zhǔn)備：（1）玻璃纖維織物的準(zhǔn)備注意事項(xiàng)：1）玻璃布的經(jīng)緯向強(qiáng)度不同，對(duì)要求正交各項(xiàng)同性的制品，則應(yīng)將玻璃布經(jīng)緯向交替鋪覆。2）裁剪玻璃布的大小，應(yīng)根據(jù)制品尺寸、性能要求和操作難易來(lái)確定。玻璃布越大制品強(qiáng)度越高，因此裁剪玻璃布時(shí)應(yīng)盡可能裁剪得大些。（2）樹(shù)脂膠液的配制 是將樹(shù)脂、固化劑或引發(fā)劑、促進(jìn)劑、填料和助劑等混合均勻，常溫固化的樹(shù)脂具有很短的適用期，必須在凝膠以前用完。樹(shù)脂膠液配制的關(guān)鍵是凝膠時(shí)間和固化程度的控制。凝膠時(shí)間是指在一定

13、溫度下樹(shù)脂、引發(fā)劑、促進(jìn)劑混合以后到凝膠所需要的時(shí)間。手糊成型工藝要求樹(shù)脂在成型操作完成以后的一段時(shí)間內(nèi)凝膠，使樹(shù)脂能充分浸透增強(qiáng)材料。（二）模具的準(zhǔn)備及脫模劑的涂刷（1）模具的準(zhǔn)備玻璃鋼模具的準(zhǔn)備方法如下:2）新模具要對(duì)照?qǐng)D樣組裝，核對(duì)模具的形狀、尺寸及脫模斜度。3）如果是使用過(guò)的模具，則要檢查模具的破損情況，如有破損要進(jìn)行修補(bǔ)， 7如果發(fā)現(xiàn)模具表面粗糙，則應(yīng)按下列順序仔細(xì)地加以修整：用從粗到細(xì)的水砂紙加水打磨；用拋光膏或拋光水拋光；上拋光蠟。3）保管模具時(shí)要蓋好聚乙烯薄膜，防止粉塵、油污、水汽等粘附模具。（2）涂刷脫模劑 石蠟類(lèi)脫模劑的涂刷方法如下：清除模具表面的水分、灰塵、污垢，充分干燥

14、模具；將石蠟脫模劑在模具表面按一定方向、一定順序輕輕地擦拭，模具的凸部、棱角要特別注意涂均勻；待干燥后用軟布擦亮；大部分石蠟類(lèi)脫模劑都含有揮發(fā)性物質(zhì)，所以重復(fù)涂刷時(shí)，中間應(yīng)有一定的時(shí)間間隔，待上次所涂刷涂膜劑中的揮發(fā)物完全揮發(fā)掉再涂下一次。（三）膠衣層的準(zhǔn)備為了改善樹(shù)脂固化中收縮帶來(lái)的表面質(zhì)量問(wèn)題，并延長(zhǎng)其使用壽命，在制品表面往往做一層樹(shù)脂含量較高、性能較好的層面，它可以是純樹(shù)脂層，也可用表面氈增強(qiáng)，通常稱(chēng)為膠衣層。其厚度一般約為0.25-0.5，根據(jù)不同的性能要求，選用不同的膠衣樹(shù)脂。（四）復(fù)合材料制品的糊制及固化（五）脫模、修整及裝配2.4實(shí)驗(yàn)部分2.4.1實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備表2-2 實(shí)驗(yàn)用主要

15、儀器設(shè)備2.4.2實(shí)驗(yàn)原料及步驟原料：根據(jù)上述原料的性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)要求我們?nèi)…h(huán)氧樹(shù)脂E-44 100g，活性稀釋劑30g，咪唑類(lèi)固化劑用量0.3%取3.9g。20cm×20cm的玻璃纖維布15張。固化條件：60/2h+80/2h。實(shí)驗(yàn)步驟：（1）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備將實(shí)驗(yàn)中所需的材料放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，將模具與樹(shù)脂的接觸面用脫模劑涂上薄薄的一層，用剪子按照模具的尺寸剪出15塊20cm×20cm玻璃纖維布，待用。（2）樣品的稱(chēng)量將塑料杯放在精密天平上去皮后倒入E-44環(huán)氧樹(shù)脂稱(chēng)取100g，將稱(chēng)取好的環(huán)氧樹(shù)脂杯去皮后再稱(chēng)取30g稀釋劑，將稱(chēng)好的體系再去皮后稱(chēng)3.9g咪唑。（3）攪拌將稱(chēng)好的固化環(huán)

16、氧樹(shù)脂體系用玻璃棒攪拌，直至藥品均勻，充分混合為止。（4）糊制及固化將裁剪好的一片玻璃纖維布放在脫模布上，用刷子蘸取攪拌后的適量的環(huán)氧樹(shù)脂放在纖維布上，用刷子或硬紙板將樹(shù)脂與纖維充分浸膠，涂抹均勻后再放一層纖維布，重復(fù)操作，直到鋪完15層纖維布。將另一塊脫模布放在上面，最后將其放在模具上，并在模具上放一塊板將其壓實(shí)，放在烘箱中固化。先將溫度調(diào)為60固化2h，再將溫度調(diào)為80固化2h。（5）脫模及修整將固化好的制品從烘箱中取出，將制品從模具總?cè)∠聛?lái)。對(duì)制品進(jìn)行裁剪、打磨、修整，得到接近目標(biāo)尺寸b10mm,h3mm,L80mm的彎曲樣條3根。b6mm,h3mm,L40mm剪切樣條6根。第3章 力學(xué)

17、性能測(cè)試3.1剪切強(qiáng)度我們將6根試樣分別進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)剪切強(qiáng)度公式得數(shù)據(jù)如下：3p4bh其中短梁層間減切強(qiáng)度，MPa;=P試樣破壞時(shí)的最大載荷，N； b試樣寬度，mm； h試樣厚度，mm；3.2彎曲強(qiáng)度我們將3根彎曲樣條分別進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式得以下數(shù)據(jù)：=3pL2bh2彎曲強(qiáng)度,MPa;P最大載荷，N; L跨距，mm; L=16h b試樣寬度，mm; h試樣厚度，mm;3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析測(cè)試后得剪切強(qiáng)度為5.75MPa,彎曲強(qiáng)度為127.64MPa,對(duì)比其他組結(jié)果發(fā)現(xiàn)本組強(qiáng)度偏低。暫且找到一組數(shù)據(jù)相仿的組的樣品作對(duì)比進(jìn)行分析。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比及樣品外觀形貌可分析出影響玻纖環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)

18、材的力學(xué)性能的因素主要是以下三點(diǎn)。 3.3.1 浸膠的用量及均勻度從固化后的樣品外觀發(fā)現(xiàn)顏色深淺不一，從測(cè)試上發(fā)現(xiàn)同塊樹(shù)脂板材料的試樣受力不均勻判斷是手糊成型時(shí)樹(shù)脂涂抹不均勻所致。 3.3.2 活性稀釋劑的用量多加了活性稀釋劑但稀釋劑是參與反應(yīng)的，沒(méi)有相應(yīng)增加適量的咪唑，導(dǎo)致固化不完全3.3.3 。固化時(shí)間與溫度的影響對(duì)咪唑的描述是常溫下可固化且反應(yīng)迅速，所以在溫度上采用了最低值，但因活性稀釋劑放的多的原因?qū)е聭?yīng)固化溫度及時(shí)間都增長(zhǎng)，但操作中給的低所以固化不完全。第4章 結(jié)論與展望結(jié)論：本文主要是研究環(huán)氧樹(shù)脂基體的玻璃纖維增強(qiáng)的配方設(shè)計(jì)和性能測(cè)試以及手糊成型工藝參數(shù)：通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)定出環(huán)氧樹(shù)

19、脂體系的配方，并選用咪唑?yàn)槠涔袒瘎?，添加稀釋劑?lái)降低其粘度。通過(guò)文獻(xiàn)查閱，確定環(huán)氧樹(shù)脂的最佳固化參數(shù)，并對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行性能測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：（1）玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的配方為E44環(huán)氧樹(shù)脂，固化劑為咪唑，增強(qiáng)體短切玻璃纖維布，稀釋劑。（2）通過(guò)查閱文獻(xiàn)，定出最佳固化工藝參數(shù)：60/2h+80/2h+100/2h。（3）玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能得到極大的提高，其層間剪切強(qiáng)度為7.618MPa，彎曲強(qiáng)度為140.172MPa。展望：玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用隨著高新技術(shù)的發(fā)展而日益深入。其結(jié)構(gòu)和性能的可設(shè)計(jì)性不斷推動(dòng)著新材料的問(wèn)世和性能的改善，其應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。目前研究的重點(diǎn)主要在控制