知识科普 | 中温固化环氧树脂预浸料----国重科技

2019-12-26


1 中温固化环氧树脂体系

环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的高分子化合物,除个别外,它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为特征,环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团,使它可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶不熔的具有三向网状结构的高聚物。它是由环氧氯丙烷与双酚A或多元酚、多元酸、多元胺、多元醇进行缩聚反应而制得。由于环氧树脂的分子链中含有很多活性基团,可在各种固化剂的作用下,交联固化成为网状体型结构,成为热固性树脂。未固化的环氧树脂是一种热塑性树脂,因分子量大小的不同而以液态和固态形式存在。

由予环氧树脂的这种结构,使之具有优异的粘接性、抗腐蚀性、热性能、机械性能及较低的固化收缩率,环氧树脂广泛应用于先进复合材料。

根据所需固化温度的不同,环氧树脂的固化可分为低温固化(室温以下)、室温固化(室温50℃)、中温固化(50130℃)和高温固化(130℃以上)。低温固化技术可以大大降低主要由昂贵的模具、高能耗设备和高性能工艺辅料等所带来的高费用,是降低树脂基复合材料构件成本的一个非常重要的方向。高温固化虽可获得耐热性等性能优良的固化产物。但由于固化温度较高,使得制品材料产生较大的内应力,影响尺寸精度控制,严重时还会导致材料提前破坏。于是中温固化就更适合人们的一般要求。相对于高温固化,由于中温固化温度较低,树脂体系在操作温度下适用期缩短,不利于成型工艺。因此在固化过程中,经常加入一定量的固化剂和促进剂以加快树脂的固化。在制备和性能上,由于温度适中,既保留了环氧树脂较高的性能,又能节约成本,降低固化成型过程中树脂的内应力,更能满足工厂和消费者的要求。所以,研制出不同的中温固化环氧树脂体系是人们的一个追求方向。

2 环氧树脂预浸料

由于环氧树脂具有优异的工艺性、较好的耐热性以及良好的力学性能。一直是先进复合材料领域中重要的树脂基体

环氧树脂预浸料是由环氧树脂、固化体系与增强纤维组成的复合体系,它的质量好坏直接影响到复合材料构件的质量和性能,它是制备复合材料制品的中间基材,预浸料不仅具有优良的粘接性能,还具有良好的韧性和挠性,并且在非纤维方向上的成型固化特性优良。可以作为先进复合材料的结构部件使用,被广泛应用于航天工业以及娱乐运动等各种用途的复合材料制品

3 热熔融浸渍法制备复合材料预浸料

预浸料的制备方法有熔融树脂法(热熔融浸渍法)、粉末浸渍法、纤维混编法、CFRTP成型法、树脂薄膜法等多种,其中熔融树脂法应用的最多。

熔融树脂法是将树脂体系加热成液体,由于熔融状态下树脂的粘度较低,且具有较高的表面张力,与增强纤维的浸润性很好,纤维束通过熔融树脂槽浸渍上树脂,然后经加热固化得预浸料。该方法比较适合实验室内模拟预浸料的成型,技术的关键是熔融树脂槽的设计,要保持槽内树脂液恒温,且只允许已浸渍树脂的纤维束通过。

熔融浸渍法在浸溃过程中不使用溶液,免去了溶液浸渍法中溶剂带来的诸多不便,减少了环境污染,节省了材料,提高了产品质量和生产效率,预浸料树脂的质量分数可以得到精确的控制,而且外观质量较好。

4 树脂基体的选择

选择合适的树脂基体是决定预浸料质量的关键所在。

环氧树脂预浸料的基本要求是:夏天不粘手,冬天不发脆。这就规定了基体树脂的软化点应满足:夏天为3637℃,冬天为3032℃。树脂软化点高于上述温度时,预浸料在较低温度下发脆;低于上述温度时,则在较高温度下预浸料发粘。除了软化点外,同时还应限制环氧树脂基体的固化温度,一般最佳温度为120130℃,固化时间不超过90分钟。

可以通过控制基体树脂的粘度来调整预浸料的粘接性能,基体树脂粘度要足够低,以保证基体能够充分浸润纤维束中的每根单丝,获得纤维和基体界面间较强的粘接性,但为了提高粘接性的保持力,使预浸料在贮存过程中不流淌,又要提高树脂的粘度。因此基体树脂的粘度应满足两者之间的平衡要求。

用作环氧树脂预浸料的基体树脂大都为酚醛型和双酚A型,而且至少含有平均两个以上的环氧基团,一般来讲单一的环氧树脂基体很难满足上述要求,通常是采用几种不同环氧树脂的组合来实现的。

5 固化剂的选择

未固化的环氧树脂是粘性液体或是脆性固体,没有实用价值,只有与固化剂进行固化交联生成三维网络结构才能实现最终用途。环氧树脂有很多类,但是固化剂的种类远远超过环氧树脂的种类。由于环氧树脂对固化剂的依赖性很大,所以根据用途选择固化剂是十分重要的。

环氧树脂固化剂种类繁多,根据生产工艺及应用特点,一般可分为显在型和潜伏型。下表是环氧树脂固化剂分类表:


显在型主要指目前普遍采用的环氧树脂双组分体系,固化剂与环氧树脂分开存放,使用时再按比例混合,是普通使用的固化剂;潜伏型固化剂则指的是这类固化剂与环氧树脂混合后,在室温条件下长期稳定,而只需暴露在热、光、湿气条件下即开始反应。这类固化剂基本上是用物理和化学的方法封闭固化剂活性的。因为潜伏型固化剂可与环氧树脂混合制成液态混合物,其应用范围从单包装胶粘翔向涂料、浸渍漆、灌封料、粉状涂料等方面发展。潜伏型固化剂是研究与开发的重点课题。

固化反应属于化学反应,受固化温度的影响很大,温度增高,反应速度加快,凝胶时间变短;凝胶时间的对数值随温度上升,大体呈直线下降趋势。但固化温度过高常使固化物性能下降,所以存在固化温度的上限;必须选择使固化速度和固化物的性能折中的温度,来作为合适的固化温度。按固化温度可以把固化剂分为四类:在室温下能固化的低温固化剂;在室温至50℃固化的室温固化剂;③50100℃的中温固化剂;④100℃以上的高温固化剂

一般而言,高温固化可获得耐热性等性能优良的固化产物。但由于固化温度较高,使得制品材料产生较大的内应力,影响尺寸精度控制,严重时会导致材料提前破坏。固化温度较高还会带来制品芯模、模具等辅助材料选材范围窄,制造工艺复杂和耗能高等问题,不利于成本的降低。另外在制品成型时,有时会带有不耐高温的内附件,这种情况不允许环氧树脂基体高温固化。因此人们一般希望环氧树脂能有较低的固化温度,而中温固化具有固化温度低,对模具要求不严,内应力小,尺寸稳定等优点,因此具有广阔的发展空间。




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