本文關(guān)鍵詞：改性高溫高韌環(huán)氧樹(shù)脂及其CF增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)境適應(yīng)性研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

改性高溫高韌環(huán)氧樹(shù)脂及其CF增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)境適應(yīng)性研究

   2016-2-18

 【摘要】：環(huán)氧樹(shù)脂具有原料易得、加工性能好、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn),但是普通環(huán)氧適用于低溫(100℃以下)環(huán)境,在高溫環(huán)境中使用受到限制。雖然可以通過(guò)提高交聯(lián)度、引入剛性基團(tuán)等手段提高其耐熱性,但是這樣往往會(huì)使環(huán)氧樹(shù)脂的韌性下降。本文針對(duì)耐熱性和韌性對(duì)多官能團(tuán)環(huán)氧進(jìn)行了改性,開(kāi)發(fā)了新型高溫高韌環(huán)氧樹(shù)脂體系,并對(duì)其澆注體和CF增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)模擬高溫高濕、高鹽度和高輻照等三種惡劣環(huán)境進(jìn)行了人工加速老化試驗(yàn),研究改性環(huán)氧澆注體和CF增強(qiáng)復(fù)合材料的環(huán)境適應(yīng)性,并成功將CF改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料作為支撐增強(qiáng)體應(yīng)用于架空導(dǎo)線中。 本文采用苯并六元雜環(huán)和海島型增韌改性劑對(duì)多官能團(tuán)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性,苯并六元雜環(huán)結(jié)構(gòu)能夠提高樹(shù)脂的耐熱性能,并且固化時(shí)沒(méi)有小分子放出,使樹(shù)脂結(jié)構(gòu)致密,海島型增韌成分和環(huán)氧樹(shù)脂固化后形成兩相結(jié)構(gòu),能夠鈍化和抑制裂紋的擴(kuò)展,起到提高環(huán)氧韌性的作用。經(jīng)過(guò)改性的高溫高韌環(huán)氧樹(shù)脂體系加工性能好,固化產(chǎn)物交聯(lián)密度高,力學(xué)性能好,拉伸強(qiáng)度為42.8MPa,模量為3.4GPa,斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到4.2%,耐熱性能好,與碳纖維和玻璃纖維能夠良好地結(jié)合并有效地傳遞載荷,CF增強(qiáng)改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到2500MPa以上,經(jīng)過(guò)160℃加熱3h后,仍能夠保持96%以上的強(qiáng)度,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為155.5℃,強(qiáng)度高,耐熱性能好。 對(duì)固化劑含量為26%-50%的改性環(huán)氧樹(shù)脂體系進(jìn)行了固化動(dòng)力學(xué)分析和CF增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試。改性環(huán)氧樹(shù)脂體系的固化反應(yīng)起始溫度、反應(yīng)峰值溫度和反應(yīng)結(jié)束溫度隨著酸酐固化劑含量的增多而有所提高。酸酐固化劑含量過(guò)少,固化反應(yīng)包括環(huán)氧樹(shù)脂的自聚合和酸酐/環(huán)氧的聚合,固化后的環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻,含有較大的孔隙；酸酐固化劑含量過(guò)多,樹(shù)脂固化反應(yīng)不夠充分；配比適量時(shí),固化反應(yīng)以酸酐/環(huán)氧聚合為主,固化產(chǎn)物組織結(jié)構(gòu)均勻。CF增強(qiáng)不同配比改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著固化劑含量的增多先增大后減小,當(dāng)固化劑含量從26.3%提高到46.2%時(shí),彎曲強(qiáng)度從608.1MPa提高到801.5MPa,壓縮破壞力從1125.8N增大到3365.9N。改性環(huán)氧樹(shù)脂體系最優(yōu)配比固化劑含量為46.2%,比經(jīng)驗(yàn)值44.0%略高。進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂設(shè)計(jì)時(shí),在參考經(jīng)驗(yàn)公式的同時(shí),也要綜合考慮改性劑、加工工藝等因素。對(duì)CF增強(qiáng)改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的因索進(jìn)行分析,并制備了可能含有相應(yīng)缺陷的復(fù)合材料,研究其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)工藝的響應(yīng)。在纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料拉擠制備過(guò)程中,應(yīng)確保原材料的性能,調(diào)整好拉擠速度、溫區(qū)溫度和梯度等工藝參數(shù)。樹(shù)脂體系內(nèi)的溶劑或纖維吸附的水分等小分子會(huì)影響基體和纖維的界面結(jié)合,導(dǎo)致材料內(nèi)部存在大量的氣孔;纖維浸膠不充分或者過(guò)量會(huì)使復(fù)合材料內(nèi)部基體含量不足或者過(guò)多,影響復(fù)合材料內(nèi)部組織的致密性和材料表面的光滑度；溫度設(shè)定過(guò)高會(huì)使復(fù)合材料表面過(guò)度交聯(lián)甚至氧化分解,影響使用性能。 采用溫度25℃-55℃、相對(duì)濕度93%的環(huán)境模擬濕熱環(huán)境對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂澆注體和CF增強(qiáng)改性環(huán)氧復(fù)合材料分別進(jìn)行2160h和5280h的人工加速老化試驗(yàn)。對(duì)濕熱老化前后改性環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料的物理性質(zhì)、熱性能、力學(xué)性能、化學(xué)結(jié)構(gòu)以及微觀組織結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究。濕熱環(huán)境中水分的滲透使改性環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量和密度增加,兩者的變化趨勢(shì)基本一致,前期滲透速率較快,到后期改性環(huán)氧樹(shù)脂水分飽和達(dá)到平衡,質(zhì)量、密度趨于水平。樹(shù)脂達(dá)到飽和狀態(tài)后質(zhì)量增加1.1%左右。濕熱環(huán)境老化降低了樹(shù)脂的硬度,并且變化規(guī)律與質(zhì)量增加的規(guī)律基本一樣。改性環(huán)氧樹(shù)脂的宏觀顏色隨著濕熱老化的進(jìn)行而逐漸變淺,老化240h之前顏色變化不明顯,240h后開(kāi)始向乳白色轉(zhuǎn)變。水分的滲透深度呈指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng),根據(jù)擬合公式計(jì)算出濕熱老化30年后改性環(huán)氧樹(shù)脂中水分滲透深度為0.29mm。濕熱環(huán)境老化沒(méi)有影響改性環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)構(gòu),滲透進(jìn)入樹(shù)脂內(nèi)的水分也沒(méi)有和樹(shù)脂形成化學(xué)鍵,樹(shù)脂的熱性能沒(méi)有受到影響,老化不同時(shí)間的熱分解溫度在340℃-341℃之間浮動(dòng)。增強(qiáng)纖維的存在會(huì)削弱濕熱環(huán)境老化對(duì)復(fù)合材料的影響,水分僅滲入復(fù)合材料的表層,降低了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度,但對(duì)彎曲強(qiáng)度影響較小,濕熱老化5280小時(shí)后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度減小了6.35%,由于對(duì)外層的二維增強(qiáng)較敏感,沖擊強(qiáng)度受到的影響較大,下降了18.5%。濕熱環(huán)境老化會(huì)影響樹(shù)脂復(fù)合材料最外層纖維和基體的結(jié)合,降低最外層纖維和基體的結(jié)合強(qiáng)度,但這在很大程度上是由老化前纖維和基體的結(jié)合狀態(tài)決定的。如果纖維和基體的界面未老化時(shí)存在縫隙、空洞等,濕熱老化會(huì)對(duì)其影響較大,使缺陷處的界面受到破壞。如果未老化時(shí)的界面結(jié)合較好,則受到的影響不大。 采用35℃、50g/L的霧化NaCl溶液模擬鹽分環(huán)境,分別對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂及其CF增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行2160h和5280h的人工加速鹽霧老化試驗(yàn)。研究了長(zhǎng)時(shí)間鹽霧老化后改性環(huán)氧樹(shù)脂及其CF增強(qiáng)復(fù)合材料的物理性質(zhì)、力學(xué)性能、熱性能、微觀組織結(jié)構(gòu)等,并與濕熱老化環(huán)境的影響進(jìn)行對(duì)比。鹽霧環(huán)境老化使改性環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量和密度增加,在老化前期質(zhì)量和密度增加較快,后期變化緩慢,最后趨于水平,樹(shù)脂達(dá)到飽和平衡時(shí)質(zhì)量增加1.1%左右,與濕熱老化相同。鹽霧老化對(duì)質(zhì)量和密度影響同濕熱老化對(duì)質(zhì)量、密度的影響基本一致。鹽霧環(huán)境通過(guò)水分的滲透、塑化、溶脹作用減小了環(huán)氧樹(shù)脂的硬度,但影響不大。鹽霧環(huán)境老化沒(méi)有引起改性環(huán)氧樹(shù)脂官能團(tuán)和官能團(tuán)相對(duì)含量的變化,也沒(méi)有改變樹(shù)脂的起始分解溫度和最大速率分解溫度。鹽霧環(huán)境沒(méi)有改變改性耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)構(gòu),但引起了物理上的水分吸附,對(duì)于耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)說(shuō)屬于物理老化。鹽霧環(huán)境老化和濕熱環(huán)境老化對(duì)于改性環(huán)氧樹(shù)脂的老化機(jī)理基本一致,都是通過(guò)水分的滲透而引起的物理老化。在較短時(shí)間內(nèi)鹽霧環(huán)境的老化速度要大于濕熱環(huán)境的老化速度,但在老化中后期兩種環(huán)境的老化速率和對(duì)樹(shù)脂的影響程度基本相同,改性環(huán)氧樹(shù)脂吸附飽和的最終平衡狀態(tài)也相同。改性環(huán)氧樹(shù)脂最終的老化程度由改性環(huán)氧樹(shù)脂的性質(zhì)、增強(qiáng)纖維性質(zhì)及含量、界面的結(jié)合等情況共同決定。鹽霧環(huán)境降低了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度,對(duì)彎曲強(qiáng)度影響較小,對(duì)沖擊強(qiáng)度影響相對(duì)較大,老化5280h后,彎曲強(qiáng)度下降5.0%,沖擊強(qiáng)度下降18.5%,變化趨勢(shì)和影響幅度同濕熱環(huán)境老化影響基本一致。鹽霧環(huán)境老化會(huì)嚴(yán)重影響纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料表面存在缺陷的界面,使缺陷繼續(xù)擴(kuò)大,但對(duì)老化前結(jié)合良好的界面影響不大。 采用UV-340型紫外老化箱來(lái)模擬高輻照地區(qū)的日光輻射、冷凝等自然現(xiàn)象,對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂及其CF增強(qiáng)復(fù)合材料分別進(jìn)行1080h和2640h的人工加速紫外老化試驗(yàn),研究改性環(huán)氧樹(shù)脂及其CF增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)紫外輻射的響應(yīng)。高輻照環(huán)境中的紫外輻射使改性環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量、硬度增加,對(duì)密度影響不大。質(zhì)量和硬度的變化趨勢(shì)基本一致,在老化前期樹(shù)脂質(zhì)量增加,后期開(kāi)始逐步減小,最終老化后的樹(shù)脂的質(zhì)量仍然大于未老化時(shí)樹(shù)脂的質(zhì)量。隨著紫外輻射時(shí)間的增加,改性環(huán)氧樹(shù)脂表面從黃色變?yōu)樯铧S色。紫外輻射對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂起到交聯(lián)、氧化和裂解的作用。在老化前期交聯(lián)和氧化作用占主要優(yōu)勢(shì),質(zhì)量增加,在老化后期裂解占主要作用。紫外輻射對(duì)樹(shù)脂表面形貌產(chǎn)生的影響較大,在老化后期樹(shù)脂表面出現(xiàn)裂痕,但是影響深度較淺。紫外老化對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)說(shuō)是化學(xué)老化,使改性環(huán)氧樹(shù)脂中羥基減少、碳氧雙鍵增多,提高了樹(shù)脂的起始分解溫度和最大速率分解溫度,但是提高幅度不大。紫外輻射降低纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能,使彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度減小,對(duì)復(fù)合材料表層起到裂解的作用,影響了外層玻璃纖維和基體的結(jié)合,老化2640h后彎曲強(qiáng)度下降6.6%,沖擊強(qiáng)度下降13.5%。 將CF增強(qiáng)改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料作為支撐增強(qiáng)體成功應(yīng)用于架空導(dǎo)線中,并進(jìn)行了型式試驗(yàn)。CF增強(qiáng)改性環(huán)氧復(fù)合芯導(dǎo)線每公里的質(zhì)量為742.9kg,是相同規(guī)格鋼芯鋁絞線質(zhì)量的80.6%,常溫拉斷力為124.5kN,是鋼芯鋁絞線的1.65倍,經(jīng)160℃加熱三小時(shí)后的拉斷力是106.9kN,強(qiáng)度保持率達(dá)85.1%。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的遷移點(diǎn)溫度為110℃,在110℃以下的熱膨脹系數(shù)為11.8×10-6,在110℃以上的熱膨脹系數(shù)為1.6×10-6,在遷移點(diǎn)溫度以上時(shí)導(dǎo)線的弧垂基本不再增加,允許導(dǎo)線在更高的溫度下使用�，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明,新型導(dǎo)線可以取代傳統(tǒng)鋼芯導(dǎo)線,進(jìn)行輸電線路改造。

  本文關(guān)鍵詞：改性高溫高韌環(huán)氧樹(shù)脂及其CF增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)境適應(yīng)性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。