低粘度环氧树脂固化体系研究段华军王钧杨小利武汉理工大学

1、低粘度环氧树脂固化体系研究段华军 王钧 杨小利武汉理工大学摘要：将低粘度交联剂参加到酸酐固化的氧化的环氧树脂体系中，能有效降低树脂体系的粘度，得到室温 下仅为0.08pas的酸酐-环氧树脂体系。利用正交实验优选了树脂配方，获得了优异的力学及物理性能；通 过 DSC 确定了树脂的固化工艺制度， 并利用 TG 对该树脂的热稳定性进行了评价。 该树脂体系适合于 RTM 工艺及湿法制造高性能复合材料。关键词：环氧树脂 酸酐 低粘度 RTM环氧树脂是制备高性能复合材料重要的基体材料之一，能够赋予复合材料良好的力学性能和物理性能。随 着复合材料行业的飞速开展， 新的成型加工方法不断涌现， 对所使用的树脂基

2、体提出了较高的要求。 如 RTM Resin Transfer Molding 工艺，由于 RTM 工艺是低压成型工艺，不仅要求树脂具有较高的力学性能和 物理性能，而且树脂对纤维只有一步浸润过程，还要求树脂具有很低的粘度，以满足树脂对纤维的充分浸 润及流动充模 1-3 。目前使用的环氧树脂由于粘度较高， 限制了其在 RTM 成型工艺中的应用。 针对这一问 题，研究满足 RTM 工艺要求的低粘度、高性能环氧树脂体系不仅能拓宽 RTM 工艺的应用领域，同时能极 大的提高复合材料的性能。 本文通过自制的一类交联剂、 改性酸酐与 E 一 44环氧树脂组成一个共混树脂体 系，该树脂体系在保持环氧树脂优异

3、性能的前提下，同时具有很低的粘度。利用差示扫描量热法DSC对该共混体系的固化特性进行了研究，利用正交实验确定了较为合理的固化制度；同时测试了该共混树脂 体系的粘度、温度对粘度的影响以及浇铸体的力学性能和物理性能；并利用TG 对该树脂的热稳定性进行了评价。1 实验局部11 原材料及仪器设备E 一 44环氧树脂：岳阳石化环氧树脂厂生产； 改性酸酐：白色固体粉末，酸酐当量 168，熔点86C,自制； 交联剂：无色低粘度液体，自制。PYRSI 型 DSC 测试仪：美国 Perhin EImer 公司； NDJ8 型数显式粘度计：上海精密科学仪器； RGT-30 型微机控制电子万能材料试验机：深圳瑞格尔

4、；CS1013EBN 型烘箱：重庆永恒实验仪器厂。12 试样制备及测试按正交实验确定的配方将称量好的环氧树脂、改性酸酐参加到烧杯中，在搅拌下加热到90C，直至酸酐完全熔解，树脂呈透明液体状态；冷却至 60 C以下参加交联剂并搅拌均匀。将配制好的树脂倒入模具中并按 确定的固化制度进行固化。树脂浇铸体的力学性能与物理性能测试均按相应GB 标准进行。2 结果与讨论2l 交联剂对树脂固化特性的影响用 DSC 测定了树脂的固化放热曲线 4，见图 12。各图对应树脂配方分别为，图 1：环氧树脂 100份加固化剂75份；图2:环氧树脂100份加固化剂75份及交联剂25份B 1来加变联钢的if -环仇擁亀DS

5、C AftS S希盎:品田2 处人文从耐的章瞬-环歎体系D5C寿倉由图1可以看出没加交联剂的树脂体系放热峰拐点位置对应的温度为94C，最高放热峰在114C出现；由图2可以看出参加交联剂后，在 60C就会出现放热，最高放热峰在145C出现。这说明参加交联剂能降低起始反响温度，最高放热峰向高温方向移动说明参加交联剂能加剧固化反响的进行。2. 2交联剂用合、温度和时间对树脂体系粘度的影响利用旋转粘度计测试了环氧树脂中参加交联剂前后的粘度变化值，见图3。由图3可以看出交联剂的参加能有效的降低树脂体系的粘度。同时测试了树脂在室温及50C恒温下的粘度变化，见图4。由图4可以看岀该改性树脂体系在室温下具有较

6、长的适用期，当加热到50 C时树脂粘度逐渐增大，在油后发生急剧增大；从DSC图可以看出该改性树脂体系在础'C条件下即开始反响，放出的热量加速了该反响的进行，从而使得树脂粘度急剧增大。交tUMAl 入同3犬屣剂用量对树脂黒度的彩响2.3树脂配方的优化按正交表L9 (34)通过试验来优选树脂配方及固化工艺制度5。在100份环氧树脂中，固化剂选用 3个水平：67份、75份、80份；交联剂选用3个水平：0份、30份、35份；固化温度为60'C/2h，后固化温度 选用3个水平：140C、150C、160C ;固化时间选用 3个水平：2h、3h、5h;以树脂浇铸体的弯曲强度为 试验指标。由

7、正交实验结果可知，固化剂用量为75份时性能最好；同样可知交联剂量为30份，后固化温度及时间为150 C和3h性能最好。由各因素极差可以看出，极差最大的是固化剂用量，其次为固化温度，最小为固化时间。由正交原理可知，固化剂用量对树脂性能影响最大，这是由于环氧树脂与酸酐的固化反响为逐步加成反响，固化剂用量直接 影响固化体系中三维网络结构的形成，所以对固化物的力学性能影响最大。由于化学反响只有在越过活化 能以后才能进行，所以固化温度对该反响的影响较大。交联剂的用量对树脂的弯曲强度也有较大影响。由正交实验结果及分析可得出树脂的最优配方及固化工艺参数为：环氧树脂100份、酸酐固化剂75份、交联剂30份，后

8、固化温度为150C，固化时间为3ho2. 4优选配方热稳定性评价对优选配方进行热失重试验，热重曲线见图5。从热失重曲线可以看岀起始失重温度为158. 9C，失重达50%时的温度为466. 1C。根据经验公式T1+0.5(T2 T1) /2 .17可以计算出该树脂的长期使用温度可 达 144 Co田5优选at方时T&樹蜕2.5改性环氧树脂的力学与物理性能改性环氧树脂优选配方的力学及物理性能见表1 o表1改性环氧树脂浇铸体的力学及物理性能测试工程结果拉伸强度 MPa87拉伸模量 GPa4.5弯曲强度 MPa131弯曲模量 GPa2.8冲击韧性 kJ m-216.2体积电阻率pv/cm4.2x1015外表电阻率ps / Q cm6x1013介电常数e 4.2介质损耗角正切tg 5 3X103马丁耐热厂C205由表 1 可以看出该改性环氧树脂体系具有较优异的力学性能及物理性能。3结论(l )在酸酐固化的环氧树脂中， 通过参加低粘度非环氧交联剂能有效地降低树脂体系的粘度。该树脂体系 在室温下具有较长的适用期，加热到50C以上能快速发生反响，使树脂粘度激增。(2 )由DSC可以确定参加交联剂后，树脂固化温度为60C，后固化温