玻璃纤维增强氧树脂基复合材料的制备

综合实验研究 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备

院 系：航空航天工程学部 专 业：高分子材料与工程专业 指导教师：于祺 学生姓名：王娜 目录 第1章 概述 1.1 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的研究现状 1.2 本次试验的目的及方法 第2章 手糊法制备玻纤/环氧树脂复合材料 2.1实验原料 2.1.1环氧树脂 2.1.2玻璃纤维 2.1.3咪唑固化剂 2.1.4活性稀释剂 2.2手糊成型简介 2.4实验部分 2.4.1实验仪器 2.4.2实验步骤 第3章 力学性能测试 3.1剪切强度 3.2弯曲强度 3.3实验数据的分析 3.3.1 浸胶的用量及均匀度 3.3.2 固化时间与温度的影响 3.3.3 活性稀释剂的用量 第4章 结论与展望 4.1结论与展望 参考文献 第1章 概述 1.1 玻璃纤维增强环氧树脂复材的研究现状 EP/玻璃纤维(GF)复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。EP/GF复合材料具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺性好、加工成型简便、生产效率高等特点,并具有材料可设计性及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等特点,现已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法代替的重要材料。且复合材料的研究水平已成为一个国家或地区科技经济水平的标准之一。目前美，日，西欧的水平较高，北美，欧洲，日本的产量分别占33%，32%，30%。毋庸置疑，EP/玻璃纤维(GF)复合材料的质量轻，高强度等优于金属的特性，会在某些领域更广泛的使用，目前复材的粘接性能与力学性能成为主要的研究方面。目前主要的成型方法有手糊成型，缠绕成型，热压管成型，RTM成型，拉挤成型。 1.2 本次试验的目的及方法 实验由学生自行设计采用一种固化体系，用手糊成型方法制备EP/玻璃纤维(GF)复合材料，再测量材料的力学性能如，弯曲，剪切。目的在于 1，了解材料科学实验所涉及到的设备的基本使用。 2，掌握环氧树脂固化体系的配置及设计。 3，对手糊成型操作了解，及查找文献完成论文的能力。 就此要求我们第2组采用环氧树脂E-44，20cm×20cm的玻璃纤维布15张，用咪唑固化剂并加入稀释剂防止体系过粘。通过查阅相关文献，确定咪唑固化环氧树脂的最佳固化条件：60℃/2h+80℃/2h，制备了玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，之后将制备的样品进行力学性能测试，其层间剪切强度为5.750Mpa，弯曲强度为127.64Mpa。 第2章 手糊法制备玻纤/环氧树脂复合材料 2.1 实验原料 2.1.1环氧树脂 环氧树脂是含有两个或两个以上的环氧基，并在适当的试剂的作用下能够交联成网络结构的一类聚合物。它是一类具有良好粘接、耐腐蚀、电气绝缘、高强度等性能的热固性高分子合成材料。其中，双酚A缩水甘油醚型环氧树脂的原材料来源方便、成本低，所以在环氧树脂中它的应用最广，产量最大，约占环氧树脂总量的85%以上[9]。其化学结构如下：

H2CHCH2

COOC

CH3

OCH2CHCH3

OHO

CCH3

CH3OCH2CHCH2

O

CH3n

从环氧树脂本身的结构分析，其主要特点如下： （1）良好的加工性 未固化的环氧树脂本身分子间的内聚力小，分子有扩展的倾向，故树脂的流动性好，且易于和固化剂及其他材料如填充剂等混合，因此有良好的加工性。 （2）粘着性强 由于树脂中的脂肪族羟基、醚键和环氧基的存在，这些极性基能与含有金属、硅酸盐、活泼氢的材料表面产生较强的分子间作用力或发生反应产生化学键，因此环氧树脂的粘着性很强，有万能胶之称。 （3）可低压成型且收缩率小 环氧树脂通常在固化时没有低分子副产物产生，所以不会产生气泡，可以低压成型，而且收缩率小，它的热膨胀系数也很小（一般为6.0×10-5•℃-1），环氧树脂是热固性树脂中收缩率最小的一种，在100℃固化时收缩率为0.5%，在200℃固化时为2.3%。 （4）化学稳定性好 环氧树脂分子结构中无酚性羟基，又无酯键，所以其耐碱性比酚醛树脂和聚酯树脂要好，此外，在固化后的体形结构中有稳定的苯环和醚键，故耐酸性、耐溶剂性以及耐水性也很好，在室温下吸水率在0.5%以下。 （5）有较好的力学性能 环氧树脂固化以后，在交联点间有一定的距离，中间链除含苯环外还有两个醚键，具有一定的活动性，因而脆性较小，基本属于硬而强韧性的材料，所以具有较高的机械强度。另外与酚醛树脂、聚酯树脂比较，环氧树脂也具有较好的介电性能。 2.1.2 玻璃纤维布 玻璃纤维（英文原名为：glass fiber或fiberglass ）是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。玻璃纤维布是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的 1/20-1/5 ，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。我国生产的玻璃布，分为无碱和中碱两类，国外大多数是E-GLASS无碱玻璃布。玻璃布主要用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、各种车辆车体、贮罐、船艇、模具等。中碱玻璃布主要用于生产涂塑包装布，以及用于耐腐蚀场合。织物的特性由纤维性能、经纬密度、纱线结构和织纹所决定。经纬密度又由纱结构和织纹决定。经纬密加上纱结构，就决定了织物的物理性质，如重量、厚度和断裂强度等。有五种基本的织纹：平纹plan(类似方格布)、斜纹twill(一般+-45度)、缎纹statin(类似单向布)、罗纹leno(主要织法)和席纹matts(类似牛津布)。

其分类： 1、按成分：主要是中碱、无碱、高碱（是对玻璃纤维中碱金属氧化物的成分进行分类），当然也还有由其它成分进行的分类，但品种太多，不一一列举

2、按制造工艺：坩埚拉丝和池窑拉丝。 3、按品种：有合股纱、直接纱、喷射纱等。 另外，就是按单纤维直径、TEX数、捻度、浸润剂类型进行区分。 玻璃纤维布的分类与纤维纱的分类是相通的，除了上述以外，还包括：织法、克重、幅度等。 2.1.3 咪唑固化剂 常用的咪唑类环氧树脂固化剂包括咪唑, 2-甲基咪唑, 2-乙基-4-甲基咪唑, 2-苯基咪唑等,与一般的环氧树脂固化剂相比,它具有以下几个方面的优点: (1) 用量少(一般为树脂用量的0. 5%～10% ),挥发性低,毒性小。 (2) 固化活性较高,中温条件下短时间即可固化。 (3) 固化物热变形温度高,有优异的耐化学介质性能、电绝缘性能力学性能。 (4) 除用作主固化剂外,还可作为助固化剂和固化促进剂,能够明显改善环氧树脂固化体系的性能。 咪唑类环氧树脂固化剂除上述优点外,还存在一些缺点和问题,具体表现在: (1) 咪唑类化合物多为高熔点的结晶固体粉末,与液态的环氧树脂混合困难,工艺性能较差。 (2) 咪唑类固化剂在高温下有一定的挥发性和吸湿性。 (3) 品种较少,不能满足特殊的施工工艺以及对固化物的某些特定要求。 (4) 常用咪唑类固化剂由于固化活性较高,因此与环氧树脂混合后适用期较短,不能作为单组分体系较长时间贮存。 咪唑类的固化机理：咪唑类固化剂分子中存在1位仲胺氮原子和3位叔胺氮原子它对环氧树脂进行固化反应时一般认为咪唑环上的3位氮原子首先使环氧树脂上的环氧基开环，当1位氮原子上存在氢原子时，发生氢原子转移，然后1位氮原子在与环氧树脂反应，形成1:2加成产物；当1位氮原子上存在取代基时1位氮原子不与环氧树脂发生开环反应仅3位氮原子使环氧树脂中的环氧基开环形成1：1产物。最后环氧基开环产生的氧负离子继续催化环氧树脂开环聚合。 2.1.4 活性稀释剂 活性稀释剂按其每个分子所含反应性基团的多少，可以分为单官能团活性稀释剂和多官能团活性稀释剂。单官能团活性稀释剂每个分子中仅含一个可参与固化反应的基团，如甲基丙烯酸-β-羟乙酯(HEMA)。多官能团活性稀释剂是指每个分子中含有两个或两个以上可参与固化反应基团的活性稀释剂，如1,6-二丙烯酸酯(HDDA)。采用含较多官能团的单体，除了增加反应活性外，还能赋予固化膜交联结构。这是因为，单官能团单体聚合后只能得到线形聚合物，而多的单体可得到高交联度网络。 2.2手糊成型简介 手糊成型是指用手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，使树脂固化后形成复合材料的一种成型方法。 手糊成型工艺包括[7]： （一）原材料的准备： （1）玻璃纤维织物的准备 注意事项： 1）玻璃布的经纬向强度不同，对要求正交各项同性的制品，则应将玻璃布经纬向交替铺覆。 2）裁剪玻璃布的大小，应根据制品尺寸、性能要求和操作难易来确定。玻璃布越大制品强度越高，因此裁剪玻璃布时应尽可能裁剪得大些。 （2）树脂胶液的配制 是将树脂、固化剂或引发剂、促进剂、填料和助剂等混合均匀，常温固化的树脂具有很短的适用期，必须在凝胶以前用完。树脂胶液配制的关键是凝胶时间和固化程度的控制。凝胶时间是指在一定温度下树脂、引发剂、促进剂混合以后到凝胶所需要的时间。手糊成型工艺要求树脂在成型操作完成以后的一段时间内凝胶，使树脂能充分浸透增强材料。 （二）模具的准备及脱模剂的涂刷 （1）模具的准备 玻璃钢模具的准备方法如下: 2）新模具要对照图样组装，核对模具的形状、尺寸及脱模斜度。 3）如果是使用过的模具，则要检查模具的破损情况，如有破损要进行修补，