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玻璃纤维/环氧树脂纺织复合材料水分散法制备
编辑:扬州科胜玻璃纤维机械设备有限公司  时间:2016-02-29

 

                                陈洁 易长海 邹汉涛 王罗新

                            (武汉科技学院,湖北武汉430073)

   摘要:本文初步探索了玻璃布增强环氧树脂复合材料的水分散法制备工艺,研究了玻璃布的浸渍工艺,并通过对材料力学性能的测试,探索了最佳模压成型工艺参数。结果表明:浸渍液浓度应较高,浸渍时间为40秒左右,浸渍次数为4~5次;复合材料制备较佳的工艺参数为模压压力 12mpa、模压时间6min和模压温度190℃。

    关键词:环氧树脂玻璃纤维纺织复合材料水分散法制备工艺

    中图分类号:ts101文献标识码:a文章编号:1009-5160(2008)-0005-03

    玻璃纤维增强环氧树脂复合材料是指以环氧树脂为主要基体,以玻璃纤维为增强材料,通过物理和化学复合,组成具有两个或两个以上相态结构的材料。玻璃纤维增强环氧树脂复合材料由于其比强度、比模量高,膨胀系数低、耐腐蚀、电绝缘等优点而被广泛应用 [1,2] 。目前该复合材料的主要应用范围如下:(1)覆铜箔板(电子玻璃纤维基板)和 风电叶片(2)航空航天结构材料。(3)运动器材产业(4)高压管道和压力容器(5)化工防腐。 (6)建筑结构加固补强等等。

    用玻璃纤维来改性增强环氧树脂,无论是从材 料制备工艺技术,还是从材料性能的改性上,都取得了许多进展。目前玻璃纤维/环氧树脂复合材料 的制备方法有很多种:(1)缠绕成型工艺;(2) 模压成型工艺;(3)拉挤工艺;(4)树脂传递模 塑(rtm)工艺;(5)树脂膜熔渗工艺等等。这些 方法所制备的复合材料的性能都有所改善,如:耐高温性、良好的电绝缘性、良好的力学性能、高耐磨性、高耐腐蚀性等等。然而,在工业上或试验中使用的这些主要制备技术有一个共同的缺点,就是用有毒性有机溶剂作介质,生产过程会给环境带来较大的污染,特别是所用的溶剂的挥发性很高,对操作工人的健康影响很大,工业生产的废水排放也很难处理。

    而水分散法制备的玻璃纤维/环氧树脂复合材 料所用的环氧树脂为改性后的水分散性环氧树脂,并且它所用介质为水,不会给周围环境和生产工人带来危害。近年来,由于人们环保意识的逐渐增强,不含或少含挥发性有机化合物(voc),以及不含有 害空气污染物(hap)体系已成为新型材料的研究方向。而水分散法制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料所用环氧树脂为水性环氧树脂,水性环氧树脂含有较少的有机溶剂,具有低voc,气味较小,环境污染小,没有失火隐患;生产及施工设备可以用水清洗,操作安全、方便等优点,以水分散化后的环氧树脂作为基料来制备复合材料,将会很大的改善人们的工作和生活环境,并且在国内外几乎没见过有以水分散法工艺来制备环氧树脂复合材料[3~6] 。

    本文将探索玻璃布增强环氧树脂复合材料的水分散法制备工艺条件及成型的工艺参数。

    1.实验

    1.1主要原料

    水性环氧树脂(ab-e44),浙江安邦新材料发展有限公司;水性环氧树脂固化剂(ab-hgi),浙江安邦新材料发展有限公司;硅烷偶联剂:kh-550,武汉市洪山区华昌应用技术研究所;玻璃布:中碱,平纹,网眼规格,1×1mm,余姚市蓝田玻纤制品厂。

    1.2主要仪器及设备

    真空干燥箱,dzf-6020,上海精宏实验设备有 限公司;陶瓷纤维马弗炉,el-104,武汉四方光电 科技有限公司;平板硫化机,xlb-d350×350,浙 江湖州东方机械有限公司;万能材料试验仪, instron-5566,爱派克国际有限公司。

    1.3试样的制备

    1.3.1浸渍液的配制:按2:1的比例将水性环氧树脂(ab-e44)和水性环氧树脂固化剂(ab-hgi)混合,搅拌均匀,备用。

    1.3.2玻璃布的表面处理:将实验用的玻璃布放 在马弗炉内,在350℃条件下处理40min,取出后 备用,将经上述处理的玻璃布在浓度为1~2%的 kh-550的乙醇水溶液中浸泡后,晾干,再在烘箱120 ℃条件下烘2h,备用;

    1.3.3预浸料的干燥脱水:将一定大小的玻璃布 在配制的浸渍液中浸渍一定时间和次数,然后将玻 璃布在真空干燥箱内进行干燥处理,储存备用;

    1.3.4环氧树脂/玻璃布复合材料的模压成型:将制好的模压料置于金属模具中,利用平板硫化机在 规定的时间、温度、压力下压制成复合材料制品;

    1.3.5材料力学性能的测试:利用万能材料试验 仪对复合材料进行力学性能的测试。

    1.4材料的制备工艺

                    

    2.结果与讨论

    2.1影响复合材料树脂含量因素研究

    复合材料树脂含量指复合材料中的树脂质量占复合材料总质量的百分比,它对制品的物理性能、力学性能、热学性能、电性能、耐水性能、耐化学腐蚀性能都有很大的影响,并且还影响到复合材料的干燥脱水。玻璃布经过预浸液浸渍后,树脂在玻璃布上的粘附量决定了复合材料中的树脂含量,因此有必要研究经预浸液浸渍后玻璃布上的树脂含量的各种影响因素。

    2.1.1预浸液浓度对树脂粘附量的影响

    预浸液的浓度大小直接影响到树脂溶液对玻璃纤维布的渗透能力和玻璃布表面树脂粘附的多少,另一方面预浸液的浓度一致是影响玻璃布树脂含量是否均匀的一个重要因素,所以对预浸液的浓度的研究很关键。

    由于预浸液的固含量过高会导致乳液不稳定,我们对预浸液浓度在46%以下的预浸液浓度与玻璃布上树脂粘附量的关系作了研究。研究表明,树脂的粘附量随浸渍液的浓度增大而增加,在46%时树脂粘附量达到最大,因为浸渍液的固液比增大,增加了树脂渗入纤维束的机会。所以在实际生产中配制稳定的、固含量相对较高的预浸液对提高树脂粘 附量有很大的意义。

    2.1.2玻璃布的浸渍时间对树脂粘附量的影响。

    在水分散法制备gf/ep纺织复合材料的浸渍工艺中,设计有多个浸渍槽和导轮,通过调节牵引的速度和设计导轮的位置来调节玻璃布的浸渍时间和浸渍次数。玻璃布的牵引速度直接影响到制备效率及树脂分布的均匀性,由于环氧树脂的水分散液向玻璃布芯部渗透需要一定的时间,因此可将达到饱和粘附量所需的渗透时间等效于实际工艺过程的牵引速度。

    由实验可知,随着时间的增长,玻璃布上的树脂的粘附量逐渐增大,到40秒后,粘附量变化不大。因此,在保证足够的浸渍时间(达到饱和粘附量)的前提下,可以尽量提高走丝速度以获得较高的生产效率。

    2.1.3玻璃布的浸渍次数对树脂粘附量的影响

    在水分散法制备gf/ep纺织复合材料的浸渍工艺中,玻璃布的浸渍次数对玻璃布上的树脂粘附量和树脂层的厚度有直接的影响,这就影响到了复合材料的水分挥发和性能,所以对复合材料浸渍次数的研究相当关键。研究表明,随着预浸次数的增加,树脂的粘附量是不断增大的,但复合材料的力学性能在预浸次数为5次前逐渐增加,在5次左右达到最大,然后急剧下降。这是因为随着水性环氧树脂厚度的增加,树脂的比例增加,一定程度改善了复合材料的力学性能,但厚度增加到一定程度,水分挥发的难度增加,固化也越来越不完全,使复合材 料的力学性能急剧下降。因此我们选择较好的浸渍次数为4~5次。

    2.2固化成型工艺的影响

    2.2.1模压压力的影响

    图2为在模压温度为180℃和模压时间为 10min时,由干燥脱水过的浸渍体系制备的玻璃布 增强环氧树脂复合材料拉伸强度与模压压力的关系。由图可知,随着模压压力增大,复合材料拉伸 强度先增大后减小,在12mpa左右达到最大值。因 为开始时玻璃布/环氧树脂粘度很大,压力的增大 有助于体系的流动以及树脂对纤维的浸润,从而提高复合材料的性能,但随着压力的增大,玻璃布受压过大而撕裂,反而影响了复合材料的性能。所以我们选择模压压力为12mpa左右。

                 

    2.2.2模压时间的影响

    图3为在模压温度为180℃和模压压力为10mpa时,由干燥脱水过的浸渍体系制备的玻璃布增强环氧树脂复合材料拉伸强度与模压时间的关系。由图可知,随着模压时间增加,复合材料拉伸强度先增大后减小,在6min左右达到最大值。较长的模压时间可以使树脂充分固化而对纤维浸润完全,材料空隙减少,界面粘结强度提高,但时间过长,会导致助剂的降解,影响复合材料的界面,复合材料的的性能下降。

                    

    2.2.3模压温度的影响

    图4为在模压时间为10min和模压压力为10mpa时,由干燥脱水过的浸渍体系制备的玻璃布增强环氧树脂复合材料拉伸强度与模压温度的关系。由图可知,随着模压温度增加,复合材料拉伸 强度先增大后减小,在190℃左右达到最大值。因为随着模压温度增加,体系的流动性增加,同时复合材料固化更加完全,力学性能不断增加,但温度过高,一些助剂会降解,影响复合材料的界面,复合材料的的性能下降。

                    

    3.结论

    本文通过对玻璃布增强环氧树脂复合材料的水分散法制备工艺进行了研究与探讨,得出的结论如下:

    3.1通过一系列的探索实验,采用水分散法成功的制备了环氧树脂/玻璃布增强复合材料。

    3.2通过对制备工艺条件的研究,得出了环氧树脂玻璃纤维增强复合材料水分散法较理想的制备工 艺条件为:浸渍液浓度应较高,浸渍时间为40秒左右,浸渗次数为4~5次。

    3.3通过对固化成型工艺的研究,找出了环氧树脂 玻璃纤维复合材料水分散法制备较为理想的固化条件:模压压力为12mpa,模压温度为190℃,模 压时间为6min。

参考文献

[1]bryan harris.engineering composite materials[m].chemical 

industry press,second edition,2006

[2]赵鸿汉.环氧基纤维增强复合材料应用面面观[j].玻璃 钢.2006,2:23~28

[3]赵渠森.先进复合材料手册[m].机械工业出版社,2003

[4]陈祥宝,包建文,娄葵阳.树脂基复合材料制造技术[m].化学工业出版 社,1999

[5]黄家康,岳红军,董永祺.复合材料成型技术[m].化学工业出版社,1999

[6]洪旭辉,华幼卿.固化工艺对3221环氧树脂体系/玻璃纤维复合材料 性能的影响[j].高分子材料科学与工程.2007,23(2):45~49 

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