【摘要】：碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是一種高比強(qiáng)度、高比模量的先進(jìn)復(fù)合材料,以其優(yōu)越的耐高低溫性能,耐腐蝕性能,導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,以及良好的X光透光性和生物相容性在航天航空、建筑補(bǔ)強(qiáng)、交通運(yùn)輸和醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。環(huán)氧樹脂具有良好的機(jī)械性能、耐化學(xué)藥品性能、電絕緣性能以及優(yōu)異的粘接性能和尺寸穩(wěn)定性,是CFRP在高技術(shù)領(lǐng)域的首選基體樹脂。而應(yīng)用最廣泛的雙酚A型環(huán)氧樹脂(DGEBA)由于其合成單體雙酚A對人類的健康存在極大的威脅,已在多個(gè)國家和地區(qū)被禁止用于食品及與人體接觸領(lǐng)域,尤其是醫(yī)療器械領(lǐng)域,因此實(shí)現(xiàn)無毒化合物對雙酚A在環(huán)氧樹脂應(yīng)用領(lǐng)域的替代具有重要意義。近年來,隨著人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng),石油的價(jià)格存在不確定性,生物基環(huán)氧樹脂成為了研究的熱點(diǎn)。近年來,可與碳纖維復(fù)合的生物基環(huán)氧樹脂由于其擁有綠色環(huán)保、可再生、永不枯竭、來源廣泛、儲(chǔ)量豐富等特點(diǎn),逐漸引起了廣泛關(guān)注。但不同種類的生物基環(huán)氧樹脂由于其原料和分子結(jié)構(gòu)的局限,很難兼顧力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性及可加工性能。因此,研發(fā)一種無毒、綠色環(huán)保,同時(shí)又能擁有較好的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性的樹脂具有十分重要的意義。同時(shí),對于復(fù)合材料而言,樹脂流動(dòng)性必須滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,樹脂實(shí)現(xiàn)中低溫快速固化是重要的發(fā)展趨勢。那么在保證復(fù)合材料力學(xué)性能的前提下,使樹脂黏度適中易于加工,并具有較低活化能從而可實(shí)現(xiàn)快速固化對生物基樹脂同樣是一項(xiàng)亟待解決的難題。因此,本論文從分子設(shè)計(jì)出發(fā),采用含有反式二苯乙烯結(jié)構(gòu)的生物基多酚化合物白藜蘆醇為反應(yīng)單體合成環(huán)氧樹脂(TGER),研究了TGER的固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理,描述其固化反應(yīng)過程;以TGER為樹脂基體制備了CFRP,詳細(xì)研究了CF/TGER復(fù)合材料性能及樹脂體系粘度對CF/TGER復(fù)合材料性能的影響;最后從界面設(shè)計(jì)角度出發(fā),對碳纖維表面官能化處理,提高了CF/TGER復(fù)合材料的界面剪切性能和機(jī)械性能。論文主要內(nèi)容如下:(1)從分子設(shè)計(jì)角度出發(fā),以白藜蘆醇為環(huán)氧樹脂反應(yīng)單體合成了新型生物基環(huán)氧樹脂,以二氨基二苯基甲烷(DDM)、二氨基二苯基砜(DDS)和甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MeTHPA)為固化劑制備了生物基環(huán)氧樹脂聚合物。對樹脂基體性能進(jìn)行了一系列表征,采用非等溫DSC方法,確定了TGER/DDM,TGER/DDS和TGER/MeTHPA固化體系的工藝條件,通過納米壓痕和熱失重分析研究了各固化體系聚合物的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明,我們合成了一種具有高環(huán)氧值的,窄分子量分布及較低粘度的新型生物基環(huán)氧樹脂,TGER/DDM、TGER/DDS、TGER/MeTHPA聚合物具有較高的剛性和熱穩(wěn)定性,三種體系熱分解溫度均大于270℃。(2)采用非等溫DSC法和等溫DSC法結(jié)合紅外光譜研究TGER/DDM體系的固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程,通過非等溫DSC方法研究了固化反應(yīng)過程,計(jì)算得到固化反應(yīng)活化能為59.32 kJ/mol。采用Kissinger方程計(jì)算TGER/DDM體系固化動(dòng)力學(xué)參數(shù),模型驗(yàn)證表明Kamal自催化模型可以較好的描述TGER/DDM體系的固化動(dòng)力學(xué)過程�？疾榱薚GER與DGEBA混合的系列聚合物動(dòng)態(tài)機(jī)械性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性,結(jié)果表明TGER/DDM的Mc值為851 g/mol,比DGEBA/DDM的交聯(lián)密度高,在室溫下表現(xiàn)出更高的儲(chǔ)能模量,T_g為148±0.8℃,同時(shí)具有較好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能。(3)采用VARI成型工藝制備出了CF/TGER系列復(fù)合材料,研究了固化劑DDM與4,4’-二氨基-3,3’-二乙基二苯甲烷(DEDDM)對樹脂體系粘度及CF/TGER系列復(fù)合材料的性能的影響;稀釋劑正丁基縮水甘油醚(BGE)的最佳配比及對CF/TGER復(fù)合材料的性能的影響。體系粘度測試表明,DEDDM作為固化劑降低了體系粘度,在25℃下僅為0.8 Pa.s,在中高溫固化條件下TGER/DEDDM適用期變長;樹脂混合體系隨著TGER含量增加,凝膠時(shí)間減小。CF/TGER/DDM與CF/TGER/DEDDM具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。以TGER/DDM為基體,隨著BGE含量增加,TGER的粘度下降,樹脂體系的適用期變長;當(dāng)BGE含量為15%時(shí),復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度最佳,分別為649 MPa和559 MPa;隨著BGE含量的增加,CF/TGER的熱分解溫度先增大后降低。(4)通過原位聚合衣康酸接枝乙二胺(IA-EDA)改性處理CF方法,既保持了碳纖維的原有拉伸性能,又增強(qiáng)了CF與TGER基體的界面粘合性能。通過X射線光電子能譜分析(XPS)和紅外(FT-IR)表征證明了原位聚合IA-EDA成功接枝到CFs表面。掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)測試觀察,顯示了聚衣康酸保護(hù)層均勻覆蓋CF表面,表面粗糙度明顯增強(qiáng)。單纖維拉伸強(qiáng)度測試顯示CF的拉伸性能增加5.0%。CF和TGER之間的界面剪切強(qiáng)度(IFSS)和機(jī)械性能測試結(jié)果表明,與原始CF(38.1 MPa)復(fù)合材料相比,CF-IA-EDA復(fù)合材料(46.7 MPa)的IFSS明顯提高了44.6%。同時(shí),功能化后CF/EP復(fù)合材料的機(jī)械性能也有顯著提高,其中處理后的CF增強(qiáng)TGER樹脂復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度提高18.5%,彎曲模量也有較大提升;拉伸強(qiáng)度提高到506.3 MPa,楊氏模量增加22%。
【學(xué)位授予單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ323.5;TB332

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王曉霞;王成國;賈玉璽;羅玲;;熱固性樹脂固化動(dòng)力學(xué)模型簡化的新方法[J];材料工程;2012年06期

2 周正偉;白瑞成;任慕蘇;孫晉良;周澤;胡清平;汪傳斌;;多官能團(tuán)環(huán)氧樹脂體系的固化反應(yīng)[J];高分子材料科學(xué)與工程;2011年08期

3 魏俊偉;張用兵;郭萬濤;;真空輔助成型(VARI)工藝研究進(jìn)展[J];材料開發(fā)與應(yīng)用;2010年03期

4 麻炳輝;李萌;王鶴童;;阻燃劑的環(huán)�；l(fā)展趨勢和聚合型溴系阻燃劑的應(yīng)用[J];鹽業(yè)與化工;2009年06期

5 毛明忠;周凱;熊杰;;環(huán)氧乙烯基酯樹脂的固化動(dòng)力學(xué)及固化工藝研究[J];浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào);2008年04期

6 潘華君;帥曉艷;王傳金;魏運(yùn)洋;;白藜蘆醇的全合成[J];合成化學(xué);2008年02期

7 代曉青;曾竟成;劉鈞;肖加余;;RFI用環(huán)氧樹脂固化工藝研究[J];國防科技大學(xué)學(xué)報(bào);2007年03期

8 康富春;張宏偉;;硫醇固化劑的合成和應(yīng)用[J];熱固性樹脂;2006年03期

9 張紀(jì)奎;關(guān)志東;酈正能;;熱固性復(fù)合材料固化過程中溫度場的三維有限元分析[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2006年02期

10 張彥飛,劉亞青,杜瑞奎,代建學(xué);復(fù)合材料液體模塑成型技術(shù)(LCM)的研究進(jìn)展[J];塑料;2005年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 劉文彬;芴基環(huán)氧樹脂及固化劑的合成與性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王偉;聚氨酯改性環(huán)氧樹脂的制備及性能的研究[D];武漢理工大學(xué);2008年

2 楊青海;改性液態(tài)DDM耐熱環(huán)氧中溫固化體系的研究[D];武漢理工大學(xué);2007年

，

本文編號(hào)：2629971