文章編號 :100026893 (2008) 0320752205
3238樹脂及其改性
沈超
(北京航空材料研究院 ,北京 100095)
Resin 3238 and Its Modification
Shen Chao
(Beijing Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095 , China)
摘 要 :采用芳香二胺對 3238韌性中溫固化環氧樹脂體系進行了改性。通過芳香二胺和環氧樹脂預先反應 ,消除了芳香二胺對中溫環氧樹脂的固化及工藝的影響 ,改性前后差示掃描量熱法 (DSC)初始溫度和峰頂溫度的差別僅有
3 ℃,最終固化程度的差別也僅有 1%。通過芳香二胺剛性結構的引入
,由于芳香二胺和環氧樹脂的交聯密度高于雙氰胺環氧樹脂體系 ,因此引入芳香二胺剛性結構提高了 3238樹脂的耐熱性 ,干態玻璃化轉變溫度提高了 29 ℃,且純固化后樹脂吸濕量降低了 0134 %,濕態玻璃化轉變溫度提高了 46℃。改性后樹脂可能形成了高低交聯密度區 ,產生了固化物交聯狀態的不均勻 ,在提高樹脂體系耐熱性能的同時 ,保持
斷裂韌性達 1 133 J/ m2。
Abstract : This paper introduces a modification technology of 3238 medium2temperature curing epoxy resin with aromatic diamine. The infection to epoxy resin curing cycle and forming process is avoided by the pre2reaction of aromatic diamine and epoxy resin bisphenol A. The difference of the differential scanning calorimetry (DSC) onset ( Ti) andtop ( Tp) temperature is only 3 ℃. The difference of the final curing degree is 1 %. The hygro2 thermal properties of resin 3238 are improved because of the introduction of the rigidity structure of aromatic diamine and its higher crosslinking density than that of dicyandiamide and epoxy resin. The moisture absorp2 tion of the resin is decreased by 0134 % , and the dry and wet glass transition temperature is increased by 29 ℃ and 46 ℃ respectively. Toughness is retained because of the forming of a high and low crosslinking density section. The tensile stress2strain curve exhibites clear plastic deformation and its elongation reaches 51 31 %. The model II fracture toughness of the composite reaches 1 133 J/ m2 . Key words : composites; epoxy resin; modification; hygrothermal property; toughness
碳纖維復合材料具有比強度、比模量高以及性能的可設計和成形工藝多樣性等特點 ,廣泛用于結構材料 [1]。在航空航天工業中應用最廣泛的復合材料樹脂基體是環氧樹脂 ,雙酚 A型環氧樹脂由于其優異的工藝性能和質量穩定性而最為普遍。隨著性能需求的不斷提高 ,環氧樹脂基體在不斷改進 [225]。一是改善濕熱性能以提高使用溫度 ,主要是通過合成新型結構的環氧和固化劑來實現 ;二是增加韌性 ,以提高復合材料的損傷容限 ,主要通過采用新型結構固化劑和增韌劑來實現 [627]。
3238樹脂是一種低固化反應熱的韌性中溫固化環氧樹脂體系 ,樹脂黏度中等略低 ,流動性較
收稿日期 :2007208227 ;修訂日期 :2008203210通訊作者 :沈超 E2mail :shen_chao_ok @yeah. net
好 ,可用膠膜法制造預浸料 ,預浸料黏性適中 ,適合簡單固化成形工藝 ,其復合材料具有較好的性能 ,但耐熱性較低 [8]。
3238樹脂為雙氰胺 /雙酚 A環氧樹脂體系 ,是通過降低固化劑含量 ,從而降低交聯密度的方法 ,改進了韌性 ,但耐熱性也同時降低。由于芳香二胺的剛性結構及其與環氧樹脂的交聯密度高于雙氰胺環氧樹脂體系 ,因此芳香二胺的加入會提高 3238樹脂的耐熱性。
在復合材料結構的制造中 ,不僅要成形出制件的形狀 ,而且還需要完成材料的 “復合” ,工藝對復合材料的性能具有決定性的影響 [9210 ]。因此在材料的改性過程中 ,必須保持原有材料的工藝性能。
由于芳香二胺和環氧樹脂的交聯密度與雙氰
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胺環氧樹脂不同 ,并且芳香二胺和環氧樹脂預先反應后 ,在樹脂的固化過程中 ,起成核作用 ,可能形成了高交聯密度區 ,并限制環氧樹脂的固化 ,產生了低交聯密度區 ,形成固化物交聯狀態的不均勻 ,提高樹脂的韌性 ,從而補償剛性和交聯密度提高對韌性的影響。
1 實 驗
樹脂 3238環氧樹脂由北京航空材料研究院研制和生產。
3238樹脂的改性 芳香二胺和環氧樹脂在 180℃下反應 2h后 ,在 60℃下加入固化劑雙氰胺和促進劑并攪拌 ,直到樹脂形成均一混合物。
樹脂澆注體 樹脂在 60℃下抽真空 1 h,倒入在 80℃預熱的平行平板玻璃模具內 ,在80 ℃下繼續抽真空 01 5h。在 125℃下固化 11 5 h,升溫和降溫速率為 1～3 ℃/ min。
～
3
濕熱性能 尺寸為 50 mm ×10 mm ×4 mm的樹脂澆注體試樣浸入沸水中 ,吸濕量由稱重法測量。樹脂澆注體和復合材料力學性能在沸水 48 h后測試。
測試方法 差示掃描量熱法 (DSC)曲線在 Perking2Elmer DSC型熱分析儀上測定 ,升溫速率為 5 ℃/ min。固化度通過 Magna275傅里葉變換紅外光譜儀上測定。動態力學分析 (DMA)在 Imass DS2I動態機械分析儀上進行 ,測試頻率為 1 Hz,升溫速率為 3 ℃/ min (濕態為 10 ℃/ min)。樹脂澆注體和復合材料力學性能按國家標準測定。
2 結果與討論
21 1 工藝性能
黏性是預浸料的重要工藝性能 ,黏性的好壞直接影響復合材料在成形過程中的鋪疊 ,進而影響纖維在復合材料中的排列位置 ,對復雜形狀結構 ,可能因鋪疊不實而引起纖維架橋。黏性主要由樹脂的狀態決定 ,并受預浸料的樹脂含量影響。改性劑芳香二胺的含量是根據樹脂黏度及預浸料的黏性來確定的 ,改性后的樹脂和 3238樹脂具有相當的黏性。
3238樹脂及改性后樹脂的黏溫曲線見圖 1,屬于中等黏度樹脂體系 ,因此具有較好的流動性 ,便于復合材料在成形時 ,除去多余的樹脂 ,形成所需復合材料的纖維體積含量。同時樹脂的黏度也不太低 ,不會在復合材料成形時 ,產生過多流膠而導致貧膠。改性后的樹脂黏度略高于 3238樹脂 ,不會改變 3238樹脂的工藝性能。
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