玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備

1、綜合實驗研究玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備院系：航空航天工程學(xué)部專業(yè)：高分子材料與工程專業(yè)指導(dǎo)教師：于祺學(xué)生姓名：王娜目錄第1章概述1.1 玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀1.2 本次試驗的目的及方法第2章手糊法制備玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料1.1.0 實驗原料1 環(huán)氧樹脂1 玻璃纖維1 咪唾固化劑1 活性稀釋劑1.2.0 手糊成型簡介2.4實驗部分1 實驗儀器1 實驗步驟第3章力學(xué)性能測試剪切強度彎曲強度實驗數(shù)據(jù)的分析浸膠的用量及均勻度固化時間與溫度的影響活性稀釋劑的用量第4章結(jié)論與展望4.1結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)第1章概述玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)材的研究現(xiàn)狀EP/玻璃纖維（GF）復(fù)合材

2、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、強度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異、原料來源廣泛、工藝性好、加工成型簡便、生產(chǎn)效率高等特點，并具有材料可設(shè)計性及特殊的功能性如屏蔽電磁波、消音等特點，現(xiàn)已成為國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和科技發(fā)展中無法代替的重要材料。且復(fù)合材料的研究水平已成為一個國家或地區(qū)科技經(jīng)濟水平的標(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，高強度等優(yōu)于金屬的特性，會在某些領(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

3、型，纏繞成型，熱壓管成型，RThM型，拉擠成型。本次試驗的目的及方法實驗由學(xué)生自行設(shè)計采用一種固化體系，用手糊成型方法制備EP/玻璃纖維（GF）復(fù)合材料，再測量材料的力學(xué)性能如，彎曲，剪切。目的在于了解材料科學(xué)實驗所涉及到的設(shè)備的基本使用。2,掌握環(huán)氧樹脂固化體系的配置及設(shè)計。3,對手糊成型操作了解，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)氧樹脂E-44,20cmQ0cm的玻璃纖維布15張，用咪哇固化劑并加入稀釋劑防止體系過粘。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定咪哇固化環(huán)氧樹脂的最佳固化條件：60C/2h+80c/2h,制備了玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，之后將制備的樣品進(jìn)行力學(xué)性能測試，具層間

4、剪切強度為5.750Mpa,彎曲強度為127.64Mpa。第2章手糊法制備玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料實驗原料環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是含有兩個或兩個以上的環(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)的一類聚合物。它是一類具有良好粘接、耐腐蝕、電氣絕緣、高強度等性能的熱固性高分子合成材料。其中，雙酚A縮水甘油醴型環(huán)氧樹脂的原材料來源方便、成本低，所以在環(huán)氧樹脂中它的應(yīng)用最廣，產(chǎn)量最大，約占環(huán)氧樹脂總量的85犯上網(wǎng)。其化學(xué)結(jié)構(gòu)如下：CH3OHCH3CH3從環(huán)氧樹脂本身的結(jié)構(gòu)分析，其主要特點如下：(1)良好的加工性未固化的環(huán)氧樹脂本身分子間的內(nèi)聚力小，分子有擴展的傾向，故樹脂的流動性好，且易于和固化劑及其他

5、材料如填充劑等混合，因此有良好的加工性。(2)粘著性強由于樹脂中的脂肪族羥基、醴鍵和環(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)氧樹脂的粘著性很強，有萬能膠之稱。(3)可低壓成型且收縮率小環(huán)氧樹脂通常在固化時沒有低分子副產(chǎn)物產(chǎn)生，所以不會產(chǎn)生氣泡，可以低壓成型，而且收縮率小，它的熱膨脹系數(shù)也很小(一般為6.0x10-5"),環(huán)氧樹脂是熱固性樹脂中收縮率最小的一種，在100c固化時收縮率為0.5%,在200c固化時為2.3%。(4)化學(xué)穩(wěn)定性好環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中無酚性羥基，又無酯鍵，所以其耐堿性比酚醛樹脂和聚酯樹脂要好

6、，止匕外，在固化后的體形結(jié)構(gòu)中有穩(wěn)定的苯環(huán)和醴鍵，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。（5）有較好的力學(xué)性能環(huán)氧樹脂固化以后，在交聯(lián)點間有一定的距離，中間鏈除含苯環(huán)外還有兩個醴鍵，具有一定的活動性，因而脆性較小，基本屬于硬而強韌性的材料，所以具有較高的機械強度。另外與酚醛樹脂、聚酯樹脂比較，環(huán)氧樹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：glassfiber或巾berglass）是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，種類繁多，優(yōu)點是絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好，機械強度高，但缺點是性脆，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

7、、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的，具單絲的直徑為幾個微米到二十幾米個微米，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。我國生產(chǎn)的玻璃布，分為無堿和中堿兩類，國外大多數(shù)是E-GLASS6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、各種車輛車體、貯罐、船艇、模具等。中堿玻璃布主要用于生產(chǎn)涂塑包裝布，以及用于耐腐蝕場合?？椢锏奶匦杂衫w維性能、經(jīng)緯密度、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、厚度和斷裂強度等。有五種基本的織紋：平紋plan（類似方格布）、斜紋twill（一股+-45度）、緞紋

8、statin（類似單向布）、羅紋leno（玻璃纖維網(wǎng)格布主要織法）和席紋matts（類似牛津布）。其分類：1、按成分：主要是中堿、無堿、高堿（是對玻璃纖維中堿金屬氧化物的成分進(jìn)行分類），當(dāng)然也還有由其它成分進(jìn)行的分類，但品種太多，不一一列舉2、按制造工藝：培竭拉絲和池窯拉絲。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、浸潤劑類型進(jìn)行區(qū)分。玻璃纖維布的分類與纖維紗的分類是相通的，除了上述以外，還包括：織法、克重、幅度等。2.1.3咪唾固化劑常用的咪哇類環(huán)氧樹脂固化劑包括咪唾,2-甲基咪坐，2-乙基-4-甲基咪坐，2-苯基咪陛等，與一般的環(huán)氧樹脂固化劑相比，它具

9、有以下幾個方面的優(yōu)點：用量少(一般為樹脂用量的0.5%10%)，揮發(fā)性低，毒性小。固化活性較高，中溫條件下短時間即可固化。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。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)氧樹脂固化體系的性能。咪哇類環(huán)氧樹脂固化劑除上述優(yōu)點外，還存在一些缺點和問題，具體表現(xiàn)在：咪唾類化合物多為高熔點的結(jié)晶固體粉末，與液態(tài)的環(huán)氧樹脂混合困難，工藝性能較差。咪睡類固化劑在高溫下有一定的揮發(fā)性和吸濕性。品種較少，不能滿足特殊的施工工藝以及對固化物的某些特定要求。常用咪哇類固化劑由于固化活性較高，因此與環(huán)氧樹脂混合后適用期較短，不能作為單組分

10、體系較長時間貯存。咪唾類的固化機理：咪唾類固化劑分子中存在1位仲胺氮原子和3位叔胺氮原子它對環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化反應(yīng)時一般認(rèn)為咪唾環(huán)上的3位氮原子首先使環(huán)氧樹脂上的環(huán)氧基開環(huán)，當(dāng)1位氮原子上存在氫原子時，發(fā)生氫原子轉(zhuǎn)移，然后1位氮原子在與環(huán)氧樹脂反應(yīng)，形成1:2加成產(chǎn)物；當(dāng)1位氮原子上存在取代基時1位氮原子不與環(huán)氧樹脂發(fā)生開環(huán)反應(yīng)僅3位氮原子使環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基開環(huán)形成1:1產(chǎn)物。最后環(huán)氧基開環(huán)產(chǎn)生的氧負(fù)離子繼續(xù)催化環(huán)氧樹脂開環(huán)聚合。2.1.4活性稀釋劑活性稀釋劑按其每個分子所含反應(yīng)性基團的多少，可以分為單官能團活性稀釋劑和多官能團活性稀釋劑。單官能團活性稀釋劑每個分子中僅含一個可參與固化反應(yīng)的基

11、團，如甲基丙烯酸-伊羥乙酯（HEMA）。多官能團活性稀釋劑是指每個分子中含有兩個或兩個以上可參與固化反應(yīng)基團的活性稀釋劑，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)。這是因為，單官能團單體聚合后只能得到線形聚合物，而多官能團的單體可得到高交聯(lián)度網(wǎng)絡(luò)。2.2手糊成型簡介手糊成型是指用手工或在機械輔助下將增強材料和熱固性樹脂鋪覆在模具上，使樹脂固化后形成復(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：）玻璃布的經(jīng)緯向強度不同，對要求正交各項同性的制品，則應(yīng)將玻璃布經(jīng)緯向交替鋪覆。）裁剪

12、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確定。玻璃布越大制品強度越高，因此裁剪玻璃布時應(yīng)盡可能裁剪得大些。（2）樹脂膠液的配制是將樹脂、固化劑或引發(fā)劑、促進(jìn)劑、填料和助劑等混合均勻，常溫固化的樹脂具有很短的適用期，必須在凝膠以前用完。樹脂膠液配制的關(guān)鍵是凝膠時間和固化程度的控制。凝膠時間是指在一定溫度下樹脂、引發(fā)劑、促進(jìn)劑混合以后到凝膠所需要的時間。手糊成型工藝要求樹脂在成型操作完成以后的一段時間內(nèi)凝膠，使樹脂能充分浸透增強材料。（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）新模具要對照圖樣組裝，核對模具的形狀、尺寸及脫模斜度。3）如果是使用過的模具，則

13、要檢查模具的破損情況，如有破損要進(jìn)行修補，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）涂刷脫模劑石蠟類脫模劑的涂刷方法如下：消除模具表面的水分、灰塵、污垢，充分干燥模具；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；大部分石蠟類脫模劑都含有揮發(fā)性物質(zhì)，所以重復(fù)涂刷時，中間應(yīng)有一定的時間間隔，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)備為了改善樹脂固化中收縮帶來的表面質(zhì)量問題

14、，并延長其使用壽命，在制品表面往往做一層樹脂含量較高、性能較好的層面，它可以是純樹脂層，也可用表面氈增強，通常稱為膠衣層。其厚度一般約為0.25-0.5mm,根據(jù)不同的性能要求，選用不同的膠衣樹脂。（四）復(fù)合材料制品的糊制及固化（五）脫模、修整及裝配2.4實驗部分實驗儀器設(shè)備表2-2實驗用主要儀器設(shè)備設(shè)備名稱型號生產(chǎn)單位電子精密天平1JM-BL-1003余姚市紀(jì)銘稱重校驗設(shè)備有限公司電熱鼓風(fēng)干燥箱DHG-9075A上海-恒科學(xué)儀器有限公司微電子拉力機RG3050實驗原料及步驟原料：根據(jù)上述原料的性質(zhì)及實驗要求我們?nèi)…h(huán)氧樹脂E-44100g,活性稀釋劑30g,咪唾類固化劑用量0.3%取3.9go

15、20cm20cm的玻璃纖維布15張。固化條件：60C/2h+80C/2h。實驗步驟:(1)實驗前的準(zhǔn)備將實驗中所需的材料放在實驗臺上，將模具與樹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20cmM0cm玻璃纖維布，待用。(2)樣品的稱量將塑料杯放在精密天平上去皮后倒入E-44環(huán)氧樹脂稱取100g,將稱取好的環(huán)氧樹脂杯去皮后再稱取30g稀釋劑，將稱好的體系再去皮后稱3.9g咪吵。(3)攪拌將稱好的固化環(huán)氧樹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)氧樹脂放在纖維布上，用刷子或硬紙板將樹脂與

16、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，放在烘箱中固化。先將溫度調(diào)為60c固化2h,再將溫度調(diào)為80c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)∠聛怼χ破愤M(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)性能測試剪切強度我們將6根試樣分別進(jìn)行測試，根據(jù)剪切強度公式得數(shù)據(jù)如下:一也4bh其中短梁層間減切強度，MPa;P試樣破壞日N的最大載荷，N;b試樣優(yōu)度，mm;h試樣厚度，

17、mm;試樣平土勻?qū)挾萣(mm)試樣平土高度h(mm)試樣所能承受的最大力p(N)剪切強度工(MPa)平均剪切強度七(MPa)16.002.92142.26.125.7525.702.86137.66.2436.002.95128.355.5346.002.98131.85.6856.132.98124.95.0965.573.00125.455.82彎曲強度我們將3根彎曲樣條分別進(jìn)行測試，根據(jù)彎曲強度計算公式得以下數(shù)據(jù):3pL=22bh二彎曲強度,MPa;P最大載荷，N;L跨距，mm;L=16hb試樣寬度，mm;h試樣厚度，mm;試樣寬度b(mm)試樣厚度h(mm)最大載荷p(N)跨距L(mm

18、)彎曲強度仃(MPa)仃平均彎曲強度(MPa)110.002.90142.8548122.29127.6429.903.00153.8048124.2839.973.00169.9548136.37實驗數(shù)據(jù)的分析測試后得剪切強度為5.75MPa,彎曲強度為127.64MPa,對比其他組結(jié)果發(fā)現(xiàn)本組強度偏低。暫且找到一組數(shù)據(jù)相仿的組的樣品作對比進(jìn)行分析。環(huán)氧量固化劑固化劑用量活性稀釋齊1用量固化時間剪切強度MPa彎曲強度MPa本組100g咪坐3.9g30g60C/2h+80C/2h5.75127.64100g咪坐3.6g20g70C/1h+100C/2h7.618140.172從實驗數(shù)據(jù)對比及樣

19、品外觀形貌可分析出影響玻纖環(huán)氧樹脂復(fù)材的力學(xué)性能的因素主要是以下三點。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，從測試上發(fā)現(xiàn)同塊樹脂板材料的試樣受力不均勻判斷是手糊成型時樹脂涂抹不均勻所致。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，沒有相應(yīng)增加適量的咪陛，導(dǎo)致固化不完全。固化時間與溫度的影響對咪唾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)固化溫度及時間都增長，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)氧樹脂基體的玻璃纖維增強的配方設(shè)計和性能測試以及手糊成型工藝參數(shù)：通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)定出環(huán)氧樹脂體系的配方，并選用咪唾為其固化劑，添加稀釋劑來降低其粘度。通過文獻(xiàn)查閱，確定環(huán)氧樹脂的最佳固化參數(shù)，并對樹脂進(jìn)行性能測試。通過實驗，得出以下結(jié)論：(1)玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的配方為144環(huán)氧樹脂，固化劑為咪唾，增強體短切玻璃纖維布，稀釋劑。(2)通過查閱文獻(xiàn)，定出最佳固化工藝參數(shù)：60C/2h+80C/2h+100C/2h0(3)玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能得到極大的提高，具層間剪切強度為7.618MPa,彎曲弓雖度為140.172MPa展望：玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(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