芳纶纤维_环氧树脂复合材料固化工艺的研究

1、第14卷第3期200019沈阳化工学院学报JOURNALOFSHENYANGINSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGYVol.14No.3Sep.2000文章编号:1004-4639(2000)03-0201-04芳纶纤维/环氧树脂复合材料固化工艺的研究邱军,魏良明(沈阳化工学院,辽宁摘要:./环氧树脂复合材料模压工艺.结果表明:可用室温浸胶,50保温015h,755,加压后升温至100,固化3h,保压18MPa.固化后自然降至室温的固化工艺,可以合理地控制芳纶纤维/环氧树脂复合材料模压样品的质量,保证其优异性能的发挥.关键词:芳纶纤维;复合材料;固化工艺中图分类号:TQ327

2、.7文献标识码:A芳纶纤维增强热固性树脂基复合材料是70年代发展起来的高性能结构材料,在航天、航空等高技术领域中占有显赫的地位,现已成为新一代战略洲际导弹研制的关键性材料.在增强材料芳纶纤维中,目前以俄罗斯生产的APMOC纤维的综合性能最佳,它是一种含有芳杂环的聚芳酰胺纤维1.芳纶纤维增强的复合材料简称AFRP(AramidFiberReinforcePlastic).AFRP的性能除与基体树脂、增强纤维性能有关外,还与其成型工艺密切相关.AFRP成型的条件、树脂含量的稳定性、材料性能的均匀性等直接影响复合材料的综合性能.要想最大限度发挥芳纶纤维/环氧树脂复合材料的优异性能,确定合理的成型工艺

3、至关重要.本文研究芳纶纤维/环氧树脂复合材料的成型条件及影响因素,并且通过大量实验确定合理的成型工艺,为芳纶纤维/环氧树脂复合材料的改性研究和实际应用提供实验依据.咪唑:天津市化学试剂厂生产.112模压件层间剪切强度(ILSS)的测定按AFRP模压件成型工艺制得模压件,将其均匀截成7段,规格为:长(25±1)mm,宽615mm,厚(2±011)mm.ILSS的测试按GB23357282的标准在WD21型电子万能试验机上进行.113模压件制备工艺(1)胶液配制按环氧树脂22乙基242甲基2咪唑=1007配制胶液,保持胶温30.(2)施胶30胶液恒温20min,不断搅拌以保证树

4、脂与固化剂均匀混合,并且具有良好的流动性.均匀涂胶于纤维上,经挤压使纤维与树脂良好浸渍后,放入模具中.(3)固化成型按树脂基体固化工艺进行固化成型,使树脂与纤维进行浸润与粘合.并通过树脂固化,使AFRP成为统一整体.1实验部分111主要原材料APMOC纤维:俄罗斯化学纤维联合体生产;环氧E251;无锡树脂厂生产;22乙基242甲基2收稿日期:1999-12-082实验结果与讨论作者简介:邱军(1969-),男,黑龙江富裕人,讲师,硕士,主要从事塑料及复合材料改性研究.© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing Ho

5、use. All rights reserved. 202沈阳化工学院学报2000年3211模压成型的主要影响因素R固化工艺对模压件的性能有着重要的影响.同样的纤维与树脂,按不同固化工艺可制得性能相差悬殊的复合材料.主要影响因素包括:(1)保温温度与保温时间已浸胶的纤维进行热固化成型时,首先必须在未固化前保温一定时间,脂充分浸润.,浸润效果好.另外,在保温过程中可以排除树脂中的气泡,浸润时间长,可使气泡充分排除,减少材料中的缺陷.(2)加压时机AFRP成型时,为使树脂与纤维结合牢固,CHOHCH2CH2CH2CH2ORCH2RCH2CH3CH2RCH2聚合,使树脂,造成局部层固化,当温度向内层

6、传递时,少量未挥发的气体小分子难于通过已固化的外层排出,从而会产生气泡造成缺陷.当然较低温度可以避免胶液过早固化,但温度太低,树脂交联反应不完全,导致材料性能下降.(4)质量分数AFRP作为固体发动机壳体材料,外载荷主要由APMOC纤维承担.树脂基体使纤维定位、传递载荷和使应力重新分配,以充分发挥纤维强度.AFRP的强度可表示为2:c=ff+rr式中纤维和树c、f、r分别为复合材料、r分别为纤维和树脂基体在脂基体的强度.f、复合材料中的体积分数.因为r值远远小于f值,由上式可知要提高c,必须设法提高f值,尽可能使质量分数低些.但质量分数过低,使得复合材料缺胶,导致其强度降低.固此,质量分数的控

7、制成为制备AFRP的关键因素.同一条件下实验制备了大量芳纶纤维/环氧树脂模压样品,其质量分数与层间剪切强度有密切关系,如图1所示.保持一定质量分数,必须拖加一定压力.加压时机决定着材料的质量分数.加压早,会使树脂从模具两端流出,质量分数过低;加压晚,树脂便会凝胶,胶液不会流出,质量分数不能控制.质量分数对于AFRP的力学性能影响显著,加压时机选择极为关键.(3)固化温度与固化时间环氧树脂与固化剂22乙基242甲基2咪唑,必须在100条件下才能发生交联反应而固化.固化反应如下:3CH2CH33N+2OCH2RCH2OCH2RH+转移CH2CH3CHRCH3CH2OHCHRCH2图1芳纶纤维/环氧

8、树脂复合材料CH2OCH2R质量分数与层间剪切强度的关系CH2CH3文献3阐述了玻纤/环氧复合材料树脂质量分数与层间剪切强度的关系,与本文的结论是© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期邱军等:芳纶纤维/环氧树脂复合材料固化工艺的研究203类似的.可见,质量分数的稳定性对复合材料的力学性能起到重要作用.因此,必须设计合理的固化工艺,使得每次制得的样品质量分数保持稳定.212固化工艺的选择附表AFRP模压件质量分数平行性比较次数123457工艺(1)质

9、量分数2513211720142118222102311719工艺(2)质量分数241724142418241624192414241224172416110分析AFRP成型中影响因素,其中加压时机对质量分数的影响较大.化条件为:保温温度50,01,温度100,机,实验对比了2,如图2(1)和(2)所示.平均值变异系数从附表可明显看出,固化工艺(2)制得样品质量分数特别稳定,变异系数只有110%.而固化工艺(1)质量分数变化较大,其最大值2513%,最小值只有2014%,质量分数相差接近4%.按固化工艺(1)制备模压件,不能保证质量分数具有很好的平行性,使ILSS的可比性降低.(2)两个固化工

10、艺可以看出,分析上述(1)、加压时机选择相当重要.固化工艺(1)是50保温015h后便加压,从树脂与固化剂按比例混合升温实验可看到,此时树脂很稀,极易流动,此时加压会使材料质量分数过小,同时由于树脂流动造成纤维位移等使质量分数不够稳定.而在75保温5min后开始加压,可以看到75时树脂粘度已开始明显加大,流动性降低,此时加压,既保证树脂部分流出,又不能造成纤维大量位移,缺陷小,质量分数稳定.3结论图2AFRP模压件固化工艺(1)质量分数对芳纶纤维/环氧树脂复合材料的力学性能影响较大,合理控制质量分数是复固化工艺(1):在室温下匀速升温至50,保温015h,然后加压180MPa,再升温至100,

11、保温3h,然后自然降温至室温;固化工艺(2):在室温下匀速升温至50,保温015h,此时不加压力.充分浸润后,升温至75,保温5min后,加压180MPa,继续升温至100,保温3h,然后自然冷却至室温.按照这2种固化工艺制得样品的质量分数如附表所示.合材料成型工艺的重要因素.而加压时机的选择是控制质量分数的关键.(2)芳纶纤维/环氧树脂复合材料模压成型的工艺条件为:室温浸胶,50保温015h,75保温5min,加压180MPa,然后升温至100,保温3h,固化后自然降至室温.(3)按照此工艺可使芳纶纤维/环氧树脂复合材料质量分数稳定在2416%左右,变异系数为110%,其ILSS值为5814

12、MPa.© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 204沈阳化工学院学报2000年2肖长发.纤维复合材料M.北京:石化出版社,1995.273.3卢天建,等.环氧复合材料基体对层间剪切强度的参考文献:1赵克熙.原苏联芳纶复合材料进展及其在固体发动机壳体上的应用J.宇航材料工艺,1995,5:9-13.影响J.西安交通大学学报,1990,24(3):24-27.StudyonShapingofQIUJun,WEILiang2ming(ShenyangInsti

13、tuteofChemicalTechnology,Shenyang110021,China)Abstract:Theeffectofmoldingprocessontheperformanceofaramidefiberreinforcingepoxyresincompositewasinvestigated.Theproperconditionswereasfollows:fibersoakingatroomtemperature,maintainingtemperatureat50for0.5h,then75for5min,atelevatedtemperature100,main2tai

14、ningpressere180MPa,curingtime3h,coolingnaturallydowntoroomtemperature.Theresultsshowedthatthequalityofthecompositecanbecontroledanditsexcellentperformancecanbeachieved.Keywords:aramidfiber;composite;shapingprocess常见的法定单位和非法定单位及其换算关系表量名称转速,旋转频率符号n法定单位名称每秒转每分转每秒转每小时符号s-1r/minr/sr/hkgtuMggmg米制克拉非法定单位名称转每分符号rpm常用倍数单位与SI单位的换算系数质量m千克吨原子质量单位cargroztonlbqrcwt2×10-4kg36.479891×10