低黏度高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂澆注料的制備和性能

姜 磊，李 凌，周先當(dāng)，王 巍，李 航，李勝華

(襄陽三沃航天薄膜材料有限公司，湖北 襄陽 441003)

近年來，環(huán)氧基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能在航空航天、船舶、能源、汽車等領(lǐng)域發(fā)展迅速[1-3]。為了保證復(fù)合材料的性能，樹脂和纖維必須完美融合，因此要求樹脂黏度低，能完全浸潤纖維[4]。通行的RTM模塑工藝可以通過模具加熱降低樹脂的黏度來進(jìn)行復(fù)合材料成型，但是此工藝不適用于大型船體復(fù)合材料的制造。在室溫條件下，樹脂黏度足夠低才能滿足船艦等大型腔體所需復(fù)合材料的澆注工藝要求，并且在后固化成型之后具有高強(qiáng)度力學(xué)性能和優(yōu)異的耐水性能[5-7]。

作者以低黏度環(huán)氧樹脂PR為主劑、改性脂肪胺為固化劑，制備低黏度高強(qiáng)度的新型環(huán)氧樹脂澆注料，考察固化劑種類及固化劑用量(以環(huán)氧樹脂PR計(jì))對(duì)環(huán)氧樹脂澆注料性能的影響，并研究澆注料的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

低黏度環(huán)氧樹脂PR、改性脂肪胺固化劑，自制；三乙烯四胺(TETA)、異氟爾酮二胺(IPDA)、低分子聚酰胺651，市售。

NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海精天電子儀器有限公司；CMT-6503型萬能電子拉力機(jī)，深圳新三思試驗(yàn)設(shè)備公司；恒溫水浴鍋，上海簡戶儀器設(shè)備有限公司。

1.2 環(huán)氧樹脂澆注料的制備

將自制環(huán)氧樹脂PR和改性脂肪胺固化劑按一定比例充分混合，注入模具中，真空除泡，常溫固化5 d，85 ℃固化3 h，得到環(huán)氧樹脂澆注料。

1.3 力學(xué)性能測試

(1)黏度：按照GB/T 2794-2013測試。

(2)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度：按照GB/T 2567-2008測試。

(3)水煮力學(xué)性能保留率：將環(huán)氧樹脂澆注料放入沸水中煮2 h后，按照GB/T 2567-2008測試?yán)鞆?qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，對(duì)比水煮前的力學(xué)性能，計(jì)算水煮力學(xué)性能保留率。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化劑種類對(duì)環(huán)氧樹脂澆注料性能的影響

選擇幾種常用的室溫環(huán)氧固化劑以及自制的改性脂肪胺固化劑，考察固化劑種類對(duì)環(huán)氧樹脂澆注料性能的影響，結(jié)果見表1。

表1 固化劑種類對(duì)環(huán)氧樹脂澆注料性能的影響

由表1可知，采用自制的改性脂肪胺固化劑固化的環(huán)氧樹脂澆注料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最高。

2.2 固化劑用量對(duì)環(huán)氧樹脂澆注料性能的影響(圖1)

圖1 固化劑用量對(duì)環(huán)氧樹脂澆注料性能的影響Fig.1 Effect of curing agent amount on properties of epoxy resin casting materials

由圖1可知，當(dāng)固化劑用量為環(huán)氧樹脂PR用量的20%時(shí)，環(huán)氧樹脂澆注料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最高。

2.3 環(huán)氧樹脂澆注料的黏度與適用期

采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定環(huán)氧樹脂澆注料黏度隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 環(huán)氧樹脂澆注料黏度隨時(shí)間的變化Fig.2 Change of viscosity of epoxy resin casting materials with time

由圖2可知，環(huán)氧樹脂澆注料在70 min內(nèi)黏度保持在290 mPa·s，基本無變化；70～90 min時(shí)黏度先減小再增大，80 min時(shí)黏度最小，表明處于反應(yīng)最初期，放熱引起黏度減小，隨后分子鏈增長導(dǎo)致黏度增大；90 min后黏度迅速增大。因此，環(huán)氧樹脂澆注料的適用期為80 min。

2.4 環(huán)氧樹脂澆注料的DSC分析(圖3)

圖3 環(huán)氧樹脂澆注料的DSC分析Fig.3 DSC analysis of epoxy resin casting materials

玻璃化轉(zhuǎn)變是非晶態(tài)高分子材料的固有性質(zhì)，是高彈態(tài)和玻璃態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。從分子結(jié)構(gòu)上講，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是高聚物無定形部分高分子鏈段從凍結(jié)狀態(tài)到解凍狀態(tài)的一種馳豫現(xiàn)象，溫度低于Tg時(shí)，高聚物處于玻璃態(tài)，分子鏈和鏈段都不能運(yùn)動(dòng)，只是構(gòu)成分子的原子或基團(tuán)在其平衡位置振動(dòng)；在Tg時(shí)，分子鏈雖不能移動(dòng)，但是鏈段開始運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出高彈性質(zhì)；溫度高于Tg時(shí)，整個(gè)分子鏈運(yùn)動(dòng)而表現(xiàn)出黏流性質(zhì)。由圖3可知，環(huán)氧樹脂澆注料的Tg為125 ℃，表明其耐熱性不低于傳統(tǒng)的雙酚A型環(huán)氧樹脂。

2.5 環(huán)氧樹脂澆注料的力學(xué)性能(表2)

表2 環(huán)氧樹脂澆注料的力學(xué)性能

由表2可知，所制備的環(huán)氧樹脂澆注料的拉伸強(qiáng)度高于85 MPa，彎曲強(qiáng)度高于120 MPa，具有優(yōu)異的力學(xué)性能；水煮力學(xué)性能保留率大于95%，表明其具有優(yōu)異的耐水性能。

3 結(jié)論

(1)所制備的環(huán)氧樹脂澆注料的黏度為290 mPa·s、適用期為80 min，適用于環(huán)氧基復(fù)合材料的澆注制造。

(2)所制備的環(huán)氧樹脂澆注料的Tg為125 ℃，其耐熱性不低于傳統(tǒng)的雙酚A型環(huán)氧樹脂，具有較好的耐熱性。

(3)所制備的環(huán)氧樹脂澆注料的拉伸強(qiáng)度高于85 MPa，彎曲強(qiáng)度高于120 MPa，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

(4)所制備的環(huán)氧樹脂澆注料的水煮力學(xué)性能保留率大于95%，具有優(yōu)異的耐水性能。