本文關(guān)鍵詞：改性高溫高韌環(huán)氧樹脂及其CF增強復(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)氧樹脂及其CF增強復(fù)合材料環(huán)境適應(yīng)性研究

   2016-2-18

 【摘要】：環(huán)氧樹脂具有原料易得、加工性能好、力學(xué)性能好等優(yōu)點,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。雖然可以通過提高交聯(lián)度、引入剛性基團等手段提高其耐熱性,但是這樣往往會使環(huán)氧樹脂的韌性下降。本文針對耐熱性和韌性對多官能團環(huán)氧進行了改性,開發(fā)了新型高溫高韌環(huán)氧樹脂體系,并對其澆注體和CF增強復(fù)合材料進行測試,同時模擬高溫高濕、高鹽度和高輻照等三種惡劣環(huán)境進行了人工加速老化試驗,研究改性環(huán)氧澆注體和CF增強復(fù)合材料的環(huán)境適應(yīng)性,并成功將CF改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為支撐增強體應(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多官能團環(huán)氧樹脂進行改性,苯并六元雜環(huán)結(jié)構(gòu)能夠提高樹脂的耐熱性能,并且固化時沒有小分子放出,使樹脂結(jié)構(gòu)致密,海島型增韌成分和環(huán)氧樹脂固化后形成兩相結(jié)構(gòu),能夠鈍化和抑制裂紋的擴展,起到提高環(huán)氧韌性的作用。經(jīng)過改性的高溫高韌環(huán)氧樹脂體系加工性能好,固化產(chǎn)物交聯(lián)密度高,力學(xué)性能好,拉伸強度為42.8MPa,模量為3.4GPa,斷裂伸長率達到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增強改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料抗拉強度達到2500MPa以上,經(jīng)過160℃加熱3h后,仍能夠保持96%以上的強度,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為155.5℃,強度高,耐熱性能好。 對固化劑含量為26%-50%的改性環(huán)氧樹脂體系進行了固化動力學(xué)分析和CF增強復(fù)合材料的力學(xué)性能測試。改性環(huán)氧樹脂體系的固化反應(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。酸酐固化劑含量過少,固化反應(yīng)包括環(huán)氧樹脂的自聚合和酸酐/環(huán)氧的聚合,固化后的環(huán)氧樹脂內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻,含有較大的孔隙；酸酐固化劑含量過多,樹脂固化反應(yīng)不夠充分；配比適量時,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增強不同配比改性環(huán)氧樹脂復(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,當固化劑含量從26.3%提高到46.2%時,彎曲強度從608.1MPa提高到801.5MPa,壓縮破壞力從1125.8N增大到3365.9N。改性環(huán)氧樹脂體系最優(yōu)配比固化劑含量為46.2%,比經(jīng)驗值44.0%略高。進行環(huán)氧樹脂設(shè)計時,在參考經(jīng)驗公式的同時,也要綜合考慮改性劑、加工工藝等因素。對CF增強改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的因索進行分析,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)對工藝的響應(yīng)。在纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉擠制備過程中,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)。樹脂體系內(nèi)的溶劑或纖維吸附的水分等小分子會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量會使復(fù)合材料內(nèi)部基體含量不足或者過多,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)定過高會使復(fù)合材料表面過度交聯(lián)甚至氧化分解,影響使用性能。 采用溫度25℃-55℃、相對濕度93%的環(huán)境模擬濕熱環(huán)境對改性環(huán)氧樹脂澆注體和CF增強改性環(huán)氧復(fù)合材料分別進行2160h和5280h的人工加速老化試驗。對濕熱老化前后改性環(huán)氧樹脂及其復(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)等進行了研究。濕熱環(huán)境中水分的滲透使改性環(huán)氧樹脂的質(zhì)量和密度增加,兩者的變化趨勢基本一致,前期滲透速率較快,到后期改性環(huán)氧樹脂水分飽和達到平衡,質(zhì)量、密度趨于水平。樹脂達到飽和狀態(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)氧樹脂的宏觀顏色隨著濕熱老化的進行而逐漸變淺,老化240h之前顏色變化不明顯,240h后開始向乳白色轉(zhuǎn)變。水分的滲透深度呈指數(shù)函數(shù)增長,根據(jù)擬合公式計算出濕熱老化30年后改性環(huán)氧樹脂中水分滲透深度為0.29mm。濕熱環(huán)境老化沒有影響改性環(huán)氧樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu),滲透進入樹脂內(nèi)的水分也沒有和樹脂形成化學(xué)鍵,樹脂的熱性能沒有受到影響,老化不同時間的熱分解溫度在340℃-341℃之間浮動。增強纖維的存在會削弱濕熱環(huán)境老化對復(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)合材料的彎曲強度和沖擊強度,但對彎曲強度影響較小,濕熱老化5280小時后復(fù)合材料的彎曲強度減小了6.35%,由于對外層的二維增強較敏感,沖擊強度受到的影響較大,下降了18.5%。濕熱環(huán)境老化會影響樹脂復(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存在縫隙、空洞等,濕熱老化會對其影響較大,使缺陷處的界面受到破壞。如果未老化時的界面結(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,分別對改性環(huán)氧樹脂及其CF增強復(fù)合材料進行2160h和5280h的人工加速鹽霧老化試驗。研究了長時間鹽霧老化后改性環(huán)氧樹脂及其CF增強復(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)境的影響進行對比。鹽霧環(huán)境老化使改性環(huán)氧樹脂的質(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,樹脂達到飽和平衡時質(zhì)量增加1.1%左右,與濕熱老化相同。鹽霧老化對質(zhì)量和密度影響同濕熱老化對質(zhì)量、密度的影響基本一致。鹽霧環(huán)境通過水分的滲透、塑化、溶脹作用減小了環(huán)氧樹脂的硬度,但影響不大。鹽霧環(huán)境老化沒有引起改性環(huán)氧樹脂官能團和官能團相對含量的變化,也沒有改變樹脂的起始分解溫度和最大速率分解溫度。鹽霧環(huán)境沒有改變改性耐高溫環(huán)氧樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu),但引起了物理上的水分吸附,對于耐高溫環(huán)氧樹脂來說屬于物理老化。鹽霧環(huán)境老化和濕熱環(huán)境老化對于改性環(huán)氧樹脂的老化機理基本一致,都是通過水分的滲透而引起的物理老化。在較短時間內(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)境的老化速率和對樹脂的影響程度基本相同,改性環(huán)氧樹脂吸附飽和的最終平衡狀態(tài)也相同。改性環(huán)氧樹脂最終的老化程度由改性環(huán)氧樹脂的性質(zhì)、增強纖維性質(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)合材料的彎曲強度和沖擊強度,對彎曲強度影響較小,對沖擊強度影響相對較大,老化5280h后,彎曲強度下降5.0%,沖擊強度下降18.5%,變化趨勢和影響幅度同濕熱環(huán)境老化影響基本一致。鹽霧環(huán)境老化會嚴重影響纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料表面存在缺陷的界面,使缺陷繼續(xù)擴大,但對老化前結(jié)合良好的界面影響不大。 采用UV-340型紫外老化箱來模擬高輻照地區(qū)的日光輻射、冷凝等自然現(xiàn)象,對改性環(huán)氧樹脂及其CF增強復(fù)合材料分別進行1080h和2640h的人工加速紫外老化試驗,研究改性環(huán)氧樹脂及其CF增強復(fù)合材料對紫外輻射的響應(yīng)。高輻照環(huán)境中的紫外輻射使改性環(huán)氧樹脂質(zhì)量、硬度增加,對密度影響不大。質(zhì)量和硬度的變化趨勢基本一致,在老化前期樹脂質(zhì)量增加,后期開始逐步減小,最終老化后的樹脂的質(zhì)量仍然大于未老化時樹脂的質(zhì)量。隨著紫外輻射時間的增加,改性環(huán)氧樹脂表面從黃色變?yōu)樯铧S色。紫外輻射對環(huán)氧樹脂起到交聯(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,質(zhì)量增加,在老化后期裂解占主要作用。紫外輻射對樹脂表面形貌產(chǎn)生的影響較大,在老化后期樹脂表面出現(xiàn)裂痕,但是影響深度較淺。紫外老化對環(huán)氧樹脂來說是化學(xué)老化,使改性環(huán)氧樹脂中羥基減少、碳氧雙鍵增多,提高了樹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環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能,使彎曲強度和沖擊強度減小,對復(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后彎曲強度下降6.6%,沖擊強度下降13.5%。 將CF增強改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為支撐增強體成功應(yīng)用于架空導(dǎo)線中,并進行了型式試驗。CF增強改性環(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℃加熱三小時后的拉斷力是106.9kN,強度保持率達85.1%。碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的遷移點溫度為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,在遷移點溫度以上時導(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,進行輸電線路改造。

  本文關(guān)鍵詞：改性高溫高韌環(huán)氧樹脂及其CF增強復(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。