碳纤维增强不饱和聚酯191复合材料性能的研究

1、 毕业论文碳纤维增强不饱和聚酯191复合材料性能的研究材料工程系张玉龙102074415学生姓名： 学号： 高分子材料与工程系 部： 张保卫专 业： 指导教师： 二一四年六月 诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业论文任务书论文题目 碳纤维增强不饱和聚酯191复合材料性能的研究 系部： 材料工程系 专业： 高分子材料与工程 学号： 102074415 学生： 张玉龙 指导教师（含职称）： 张保卫（副教授） 1课题意义及目标以不饱和聚酯191为基体材料，碳纤维为增强材料，及相应的配合

2、剂，制得复合材料，对其力学性能和和相关性能进行研究，对复合材料界面的形成及作用机理进行研究。通过合理匹配及协同作用，可呈现出单一材料所不具备的优异性能。讨论加入碳纤维对不饱和聚酯191的增强效果，找到合适的碳纤维用量和合适的碳纤维处理时间。2主要任务1）硅胶模具的制作； 2）碳纤维的处理；3）制得复合材料样条，按照实验所需制得不同规格的样条；4）测试不饱和聚酯191固化温度的变化来分析其固化时间等；5）进行力学基本性能测试和相应结构表征测试；6）用扫描电镜等对其微观结构进行分析；7）对比实验结果，得出结论。3. 基本要求1）认真学习相关书籍，查阅中外文资料，制定出合理的实验研究方案；2）认真做

3、好各环节实验，做好实验记录，要求实验数据准确可靠；3）勤于思考，应用所学的专业知识来解决实验中遇到的问题；4）翻译一篇与本课题相关的英文文献；5）论文撰写要求严格按照材料工程系“本科毕业论文格式要求”撰写。4. 主要参考资料1 杜慧玲, 齐锦刚, 庞洪涛, 万怡灶, 王玉林. 表面处理对碳纤维增强聚乳酸材料界面性能的影响J. 材料保护, 2003.36(2):16-18.2 张文军, 朱春宇. 不饱和聚酯树脂改性研究进展J. 热固性树脂,2007.22(4): 41-42.3 季春晓, 刘礼华, 曹文娟. 碳纤维表面处理方法的研究进展J. 石油化工技术与经济, 2011. 27(2): 57-

4、61. 5进度安排论文各阶段名称起 止 日 期1查阅文献资料，分析任务书（开题报告）1月3日3月18日2购买原材料，制定实验方案，技术路线 3月19日4月10日3材料制备，性能测试，结构表征（中期检查）4月11日5月18日4编写、审核设计论文5月19日6月3日5完成毕业论文及答辩工作6月4日6月22日审核人： 年 月 日太原工业学院毕业论文不饱和聚酯增强不饱和聚酯191复合材料性能的研究 摘要：本论文用浓硝酸处理碳纤维增强191不饱和聚酯。通过测试复合材料的力学性能（拉伸强度、弯曲强度、冲击强度），研究了两种情况（碳纤维用量不同和碳纤维表面处理时间不同）对复合材料力学性能的影响。结果表明，复合

5、材料的力学性能即拉伸强度，弯曲强度，冲击强度均随着碳纤维表面处理时间的增长而增强，其力学性能也随着碳纤维的用量增加而增强。关键词：碳纤维，不饱和聚酯，力学性能，表面处理- 1 -Unsaturated polyester reinforced unsaturated polyester composite material properties of the 191 studyAbstract: This paper handling 191 carbon fiber reinforced unsaturated polyester with concentrated nitric acid.

6、 By testing the mechanical properties of the composites (tensile strength, flexural strength, impact strength), to study the two cases (the amount of carbon fiber and carbon fiber surface treatment different at different times) on the mechanical properties of the composites. The results show that th

7、e mechanical properties of the composite, tensile strength, flexural strength, impact strength decreased with increase of the carbon fiber surface treatment time increased, the mechanical properties are increased with the amount of carbon fiber is enhanced. Keywords: Carbon fiber, unsaturated polyes

8、ter, mechanical properties, surface treatment- 2 -目 录1前言11.1 不饱和聚酯11.1.1 概述11.1.2 国内外发展状况21.1.3 191号不饱和聚酯31.2 碳纤维41.2.1 概述41.2.2 碳纤维的结构与性能41.2.3碳纤维的表面处理方法51.3硅胶模具81.3.1概述81.3.2硅胶的性能91.3.3硅胶模具的制作方法101.4研究目的及意义102 实验部分112.1主要实验原料和设备112.1.1主要实验原料112.1.2主要试验设备112.2实验配方112.3试验流程122.3.1实验流程图122.4力学性能的表征13

9、3结果分析143.1碳纤维处理时间不同时力学性能的分析153.2碳纤维不同用量时力学性能的分析203.3碳纤维取向与力学性能的关系224 结论24参考文献25致谢26II1前言1.1 不饱和聚酯1.1.1 概述聚酯是主链上含有酯键的高分子化合物的总称，是由二元醇或多元醇与二元酸或多元酸缩合而成的，也可从同一分子内含有羟基和羧基的物质制得。不饱和聚酯树脂，一般是由不饱和二元酸二元醇或者饱和二元酸不饱和二元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物，简称UPR1。化工原料的一种，常用于物体表面加厚、固化，使用时如同刷油漆一般，层层加叠，固化过程释放有害气体。 不饱和聚酯树脂是热固性树脂中最

10、常用的一种，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，经过单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液，简称UPR。不饱和聚酯树脂，一般是由不饱和二元酸二元醇或者饱和二元酸不饱和二元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。通常，聚酯化缩聚反应是在190220进行，直至达到预期的酸值（或粘度），在聚酯化缩反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂2。 物理性质不饱和聚酯树脂的相对密度在1.111.20左右，固化时体积收缩率较大，固化树脂的一些物理性质如下： （1）耐热性。绝大多数不饱和聚酯树脂的变形温度都在5060

11、，一些耐热性好的树脂则可达120。红热膨胀系数1为（130150）10-6。 （2）力学性能。不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度。 （3）耐化学腐蚀性能。不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关的不同，可以有很大的差异。 （4）介电性能。不饱和聚酸树脂的介电性能良好。 化学性质不饱和聚酯是具有多功能团的，在其骨架主链上具有聚酯链键和不饱和双键，而在大分子链两端各带有羧基和羟基。 主链上的双键可以和乙烯基单体发生共聚交联反应，使不饱和聚酯树脂从可溶、可熔状态转变成不溶、不熔状态。 主链上的酯键可以发生水解反应，酸或碱可以加速该反应。若

12、与苯乙烯共聚交联后，则可以大大地降低水解反应的发生。 在酸性介质中，水解是可逆的，不完全的，所以，聚酯能耐酸性介质的侵蚀；在碱性介质中，由于形成了共振稳定的羧酸根阴离子，水解成为不可逆的，所以聚酯耐碱性较差。 聚酯链末端上的羧基可以和碱土金属氧化物或氢氧化物例如MgO，CaO，Ca(OH)2等反应，使不饱和聚酯分子链扩展，最终有可能形成络合物。分子链扩展可使起始粘度为0.11.0Pas粘性液体状树脂，在短时间内粘度剧增至103Pas以上，直至成为不能流动的、不粘手的类似凝胶状物。树脂处于这一状态时并未交联，在合适的溶剂中仍可溶解，加热时有良好的流动性。1.1.2 国内外发展状况不饱和聚酯树脂复

13、合产品在我们的现实生活中很是常见。不饱和聚酯树脂复合制品已经渗入到国民经济建设和老百姓日常生活的各个领域。根据中国复合材料工业协会的统计数据，2010全球复合材料产量达900万吨，中国以329万吨的产量超越美国和日本，跃居世界第二，占全球总产量的36.5%。其中热固性复合材料产量达238吨，热属性复合材料91万吨，总价值约为1160亿元人民币。我国不饱和聚酯树脂的产量从2005年的95万吨增加到2010年的153万吨，年均增长10.1%3。十一五期间我国不饱和聚酯树脂产业发展呈现四大特点：（1）产能和产量大幅度增长，产品结构不断优化。（2）功能填料增强的浇铸性不饱和聚酯树脂消耗量增长迅猛。（3

14、）兆瓦级复合材料风电叶片成为继纤维增强加砂管道之后我国复合材料产业的又一主要产品4。（4）不饱和聚酯产业整合重组已出现端倪3。纵观不饱和聚酯树脂复合材料在世界范围的发展，不饱和聚酯树脂（UPR）作为热固性玻璃钢的基体材料，近20年来在全世界取得了迅速发展。全世界不饱和聚酯树脂产量已达到160万吨，用于玻璃钢的不饱和聚酯树脂按75%比例测算，全世界用于玻璃钢基体材料的不饱和聚酯树脂产量在120万吨以上。世界上不饱和聚酯树脂的技术开发动向主要是通过树脂改性和掺混等向降低树脂收缩率，提高制品表面质量，提高与添加剂的相容性，增强材料的浸润作用以及提高加工性能和机械性能等方向发展5。1.1.3 191不

15、饱和聚酯191系列不饱和聚脂树脂，系由二元酸（酐）和二元醇（及其缩合物）经酯化应，缩聚成线性不饱和聚酯树脂，然后经具有交联作用的活性单体溶剂（苯乙烯）所溶解而配制成的透明粘稠液体。在加入适量引发剂后，能在常温下较快交联固化，成为坚实的固体，可用来粘合多种金属和非金属材料，固化后具有良好的耐水、耐腐蚀等性能。本型号聚酯树脂，主要用于制造各种工艺品，也可用于粘接玻璃钢制品、宝丽板或作为其它金属、玻璃、陶瓷、木材等的粘合剂用。适用性广，耐冲击性好，可用于玻璃钢制品，也可用于人造大理石的制作。191#聚酯树脂是较典型的通用型树脂。在160210经缩聚而制得, 再加入阻聚剂、石蜡及苯乙烯、光稳定剂等,

16、于7080下混溶后得到具有一定粘度的液体树脂成品。这类树脂能耐一般的腐蚀和一定的温度。常用于制作耐温、耐蚀要求不高的冷却塔、贮槽及各种设备、管道等。生产工艺流程介绍：（1） 工艺流程如图：丙二醇顺 酐苯 酐160210阻聚剂主釜缩聚石 蜡7080光稳定剂稀释釜混溶苯乙烯成品图1.1 流程图Figure 1.1 Flow chart（2）工艺控制参数 搅拌温度：70；反应温度：160210，最佳反应温度190200；分馏柱头温度：105；加阻聚剂及石蜡的温度：180190； 稀释釜的混溶温度：7080；反应时间：1014小时；常压下生产。产品质量指标 外观：淡黄色透明液体；酸值：2737mgKO

17、H/g；粘度（25）：25p ；胶凝时间（25）：1230min；固体含量：59%67%； 热稳定性：80下24小时或25下6个月。1.2 碳纤维1.2.1 概述碳纤维的特点兼具纺织纤维的柔软可加工性它的本质是微晶石墨材料抗拉强度在3500 GPa以上抗拉弹性模量230430GPa。碳纤维是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维，为化纤的高端品种。碳纤维最早由美国联合碳化物公司和美国空军材料实验室于1959年投产，原丝采用粘胶纤维。1962年，日本碳公司进行了通用级聚丙烯腈基碳纤维的生产。1971年日本东丽公司的高性能聚丙烯腈基碳纤维投产。沥青基碳纤维是日本吴羽化学工业公司于1973年投产的。联合

18、碳化物公司生产了高模量沥青基碳纤维。1985年,美国、日本及西欧的聚丙烯腈基碳纤维年生产能力共约有7.25kt，沥青基碳纤维为1.28kt。1.2.2 碳纤维的结构与性能碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维复合材料抗拉强度一般都在3500GPa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为230430GPa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。材料的

19、比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。综观多种新兴的复合材料（如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料）的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。碳纤维是含碳量高于90%的无机纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表

20、面处理6。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、板簧和驱动轴等。1994年至2002年左右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。碳纤维是军民两

21、用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天以及超级跑车领域。由于原料、模量、强度和最后的热处理温度不同，产生了特性不同的碳纤维，前者硬而脆的常用于复合材料，软而柔顺的常用于纺织；后者多被用于工程用料。由于碳纤维的应用越来越多兼之其特性，碳纤维强力拉伸性能测试的紧迫性摆在了我们面前。强伸性能试验属于破坏性的，试验完毕试样没有可恢复性，又因为碳纤维分离成为单纤维以后非常脆弱，因此在每次试验过程中，需要细心、耐心，试验前不要对试样造成损伤。一般试验需要得到的技术指标是CV值、平均值等。1.2.3碳纤维的表面处理方法国内外对碳纤维的表面改性研究非常活

22、跃。碳纤维的表面改性主要目的是提高碳纤维表面活性, 强化碳纤维与基体树脂之间界面性能, 达到提高复合材料层间剪切强度的目的7。目前表面处理改性的方法可以分为氧化法及非氧化法两大类7。（1）氧化法氧化法又分为气相氧化法、液相氧化法、气液双效氧化法、电化学氧化法。 气相氧化法气相氧化的介质是热空气或其中混合了一定量的空气、O2、O3、CO2、CO、SO2、水蒸气等气体的混合气体, 处理温度一般在400600, 反应时间根据碳纤维种类和所需氧化程度而定。气相氧化是用氧化性气体来氧化纤维表面, 从而引入极性基团, 并给予适宜的粗糙度来提高复合材料的剪切强度。气相氧化法设备简单, 反应时间短, 易和碳纤

23、维工业生产线衔接, 实现连续处理。碳纤维在气相氧化的过程中, 随时间的延长和温度的升高, 强度会有损失, 但只要内部结构未发生明显变化, 其表面刻蚀程度及比表面积会随之增加, 有利于复合材料的界面结合。同时, 化学状态的变化也会提高复合材料的综合力学性能。但是由于氧化反应激烈, 反应条件难以控制, 若温度不能得到精确控制就有可能导致强度损失过大, 影响碳纤维复合材料的力学性能。 液相氧化法液相氧化法主要是将碳纤维浸入到某种氧化性溶液中, 通过氧化剂来氧化刻蚀碳纤维表面。液相氧化中使用的氧化剂种类很多, 如高锰酸钾、过硫酸铵、次氯酸钠和硫酸混合溶液、硝酸等。硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂,

24、 用硝酸氧化碳纤维, 可使其表面产生羧基、羟基和酸性基团, 这些基团的量随氧化时间的延长和温度的升高而增多。当温度超过100和氧化时间超过2h,虽然含氧基团迅速增多, 但过度氧化导致纤维强度降低, 反而导致复合材料的性能降低。他们同时将液相氧化与热空气氧化处理作了比较, 发现热空气氧化处理的纤维表面含氧基团明显较少,不利于提高树脂与纤维间的界面结合。采用液相氧化法氧化后的碳纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑增多, 有利于提高纤维与树脂之间的界面结合力。该法与气相氧化法相比, 氧化情况较为温和, 不易使纤维产生过度的刻蚀和裂解, 而且在一定条件下含氧基团数量比气相氧化法的多, 所以处理效果比气

25、相氧化法好, 但由于采用的氧化剂均为强酸或强碱及其盐类, 对设备的腐蚀严重, 很少用于工业化生产。 电化学氧化法电化学氧化法即阳极电解氧化法。它是以碳纤维作为阳极而浸在电解质溶液中的碳电极充当阴极, 电解液中含氧阴离子在电场作用下向碳纤维移动, 在其表面放电生成新生态氧, 继而使其氧化，生成羟基、羧基、羰基等含氧官能团, 同时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀，产生了孔洞和沟槽，形成一定的粗糙度，从而增加了纤维与基体间的机械锲合作用。采用电化学氧化法，合理选择电化学氧化装置是保证实施碳纤维有良好的表面处理效果的前提条件。在选择电化学氧化装置时，要考虑的因素包括阴极的材料、电解质和电流的选择。阴极的材

26、料既要导电，又要耐腐蚀。石墨板具有良好的导电性能和耐腐蚀性, 在工业化生产中被广泛应用。电解质可用酸、碱或盐类。例如，硝酸、硫酸、磷酸氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸钾硝酸钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二氢铵等。电化学氧化反应条件缓和，处理时间短，因此可与碳纤维生产流水线衔接, 而且可以通过控制电解温度、电解质质量分数、电流密度等工艺条件实现对氧化程度的精确控制，实现均匀氧化。由于增加了大量的含氧官能团和含氮官能团，提高了碳纤维与基体材料的浸润性和反应性，有利于改善碳纤维复合材料的力学性能，因此, 它是目前最具有实用价值的方法之一。（2） 非氧化法非氧化法分为气相沉积法、电聚合法、偶联剂涂层法、聚合物涂层

27、法、晶须生长法、等离子体法等。 气相沉积法近年来，用气相沉积技术对碳纤维进行涂覆处理是碳纤维改性的一个重要方面, 在高模量结晶型碳纤维表面沉积一层无定性碳来提高其界面黏接性能，增加复合材料的层间剪切强度。气相沉积处理法中采用的涂层技术主要有两种：一种把碳纤维加热到1200, 用甲烷-氮混合气体处理, 甲烷在碳纤维表面分解, 形成无定型碳的涂层, 处理后所得到的复合材料层间剪切强度可提高两倍：另一种方法是先用喹啉溶液处理碳纤维, 经干燥后在1600下裂解, 所得到的复合材料层间剪切强度可提高2倍。此外, 还可以用羧基铁和醛等的热解后的沉积物来提高界面性能。气相沉积处理法是在碳纤维和树脂的界面引入

28、活性炭的塑性界面区来松弛应力, 从而提高了复合材料的界面性能。但气相沉积处理法所需温度较高：有一定危险性, 且工艺条件苛刻, 未能实现广泛的工业化应用。 电聚合法电聚合法是在电场力的作用下使含有活性基团的单体在碳纤维的表面聚合成膜, 以改善其表面形态和组成。用碳纤维作阳极, 不锈钢板作阴极, 电聚合液可用含羧基共聚物的铵盐水溶液。电聚合的基本历程为: 带有羧基的高聚物的阴离子在电场力的作用下向阳极的表面移动, 发生质子化作用而沉积在其表面形成聚合膜。张复盛研究了用具有水溶性的烯类单体, 配成一定质量分数的溶液, 在碳纤维上进行电聚合行为。发现经电聚合处理之后的碳纤维单丝的拉伸强度、拉伸模量、以

29、及断裂伸长率都有明显提高, 复合材料的层间剪切强度有了大幅度提高, 冲击强度也有明显改善。电聚合法采用苯乙烯马来酸酐、甲基乙烯醚马来酸酐、乙烯丙烯酸共聚物和烯烃马来酸酐等,它们属于热塑性聚合物, 耐高温性能差, 因而所制复合材料的高温层间剪切强度和湿态层间剪切强度有不同程度下降。电聚合的电压比较低, 时间短, 可与碳纤维生产线相匹配, 只是工序较繁杂, 有的电聚合液不太稳定, 不便连续操作。 偶联剂涂层法偶联剂涂层法所采用的偶联剂为双性分子, 它的一部分官能团与碳纤维表面反应形成化学键, 另一部分官能团与树脂反应形成化学键。这样偶联剂就在树脂与碳纤维表面起到一个化学媒介的作用, 将二者牢固地连

30、在一起, 从而达到提高界面强度的目的。在对碳纤维进行偶联剂涂层处理之前, 可采用空气氧化处理。另外, 在对碳纤维进行偶联剂涂层处理的同时, 对树脂进行一定的处理也能进一步改善界面性能, 从而提高复合材料的综合性能。偶联剂涂层法提高复合材料中界面黏接性能的应用非常广泛, 用硅烷偶联剂处理玻璃纤维的技术已有较成熟的经验。但由于碳纤维表面的官能团数量及种类较少, 只用偶联剂处理的效果往往不太理想。用偶联剂处理碳纤维（低模量）可以提高碳纤维增强树脂基复合材料的界面强度,但对高模量碳纤维效果不明显。本论文试验处理碳纤维用的是液体氧化法中的浓硝酸（60%65%）处理8。1.3 硅胶模具1.3.1概述硅胶（

31、Silicon dioxide）别名硅橡胶，是一种高活性吸附材料，属非晶态物质，其化学分子式为mSiO2nH2O。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。硅胶根据其孔径的大小分为：大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶。各种型号的硅胶因其制造方法不同而形成不同的微孔结构。1.3.2硅胶的性能物性数据 （1）性状：白色粉末；（2）密度（g/mL,25/4）：未确定；（3）相对蒸汽密度（g/mL,空气=1）：未确定；（4）熔点（C）：未确定；（5）沸点（C,常压）：未确定；（6）沸点（C,5.2kPa）：未确定；（7）折射率：未确定；（8）闪点（C）：未确

32、定；（9）比旋光度（）：未确定；（10）自燃点或引燃温度（C）：200度以上；（11）蒸气压（kPa,25C）：未确定；（12）饱和蒸气压（KPa,60C）：未确定；（13）燃烧热（KJ/mol）：未确定；（14）临界温度（C）：未确定；（15）临界压力（KPa）：未确定；（16）油水（辛醇/水）分配系数的对数值：未确定；（17）爆炸上限（%,V/V）：未确定；（18）爆炸下限（%,V/V）：未确定；（19）溶解性：不能溶于水。能耐盐酸、硫酸、硝酸的浸渍，溶于氢氟酸和强碱溶液。有较强的机械强度，是极性吸附剂。硅胶生产工艺 硅胶的生产虽然大都经过凝胶、洗涤、干燥这一共性，但具体到某一类型胶，又有

33、工艺各异，相互区别的个性。1.3.3硅胶模具的制作方法开模形式的选择和模线的选择非常重要，一是为了取模方便，二是模线应选在不影响产品的整体效果，三是不影响产品质量，比如水景系列产品的模线位置太高，封模线时要的料多，产品开裂就容易出现；四是减少流程操作工序，比如开一半模。为防止硅胶四处流动把模种用木方或木板固定在一个规则范围中，开片模时用木板和油泥隔开先开的那一部分，要求油泥与模种间没有缝隙，油泥表面光滑平整。在上述工作准备完以后，接着在石膏模或模种上涂上凡士林或喷上脱模剂，光滑产品要求用干净的纯棉布沾上凡士林均匀地涂在模种上，保持30分钟使模种充分吸收凡士林，再用干净的纯棉布把模种表面擦干净，

34、要求表面光亮；而有肌理的产品只要均匀地涂上凡士林就可以了按配方将硅胶调好。硅胶调配时应按不规则方向进行搅拌，使固化剂和硅胶充分混匀，尽量减少空气混入胶内，光滑产品最好在涂第一层胶时抽一次真空，真空度要求0.1Mpa时间保持78秒钟。硅胶配好后应及时制模。将胶液用滴流的方式倒在模种的最高部位，让其自然流淌，流不到位的地方用油画笔刷到位，如果是片模硅胶不但充满整个产品而且胶泥上也要刷均匀。每一个产品至少刷三层硅胶每一层硅胶的厚度为1mm，在刷硅胶的过程中，要求每一层固化后才能刷另外一层，在刷第三层时要在第二层上面加一层纱布来增加硅胶的强度。整个模具硅胶部分根据产品的大小不同的要求厚度控制在34mm

35、，宽度不大于产品宽度60 mm。硅胶开始凝固时间为20分钟。1.4 研究目的及意义（1）论文研究的意义通过在不饱和聚酯191中加入浓硝酸处理过的碳纤维，讨论碳纤维对不饱和聚酯191的增强效果，找到合适的碳纤维用量和合适的碳纤维处理时间得以最大化的增强不饱和聚酯191。（2）论文研究的目的以不饱和聚酯191为基体材料，浓硝酸处理过的碳纤维为增强材料，及相应的配合剂，制得复合材料，对复合材料的力学性能和相关性能进行研究，对复合材料界面的形成及作用机理进行研究。2 实验部分2.1主要实验原料和设备2.1.1主要实验原料本实验的主要原料如表2.1。表2.1 试验原料Figure 2.1 Test ra

36、w materials化学名称（缩写）生产厂家191#不饱和聚酯（UPR）肥城德源化工有限公司2#引发剂（50%过氧化环己酮的邻苯二甲酸二丁酯糊）肥城德源化工有限公司2#促进剂（8%10%萘酸钴的苯乙烯溶液）肥城德源化工有限公司碳纤维（CF）中科院山西煤化研究所浓硝酸（60%65%）西陇化工股份有限公司2.1.2主要试验设备本实验的主要设备如表2.2。表2. 2 实验设备Figure 2.2 Experimental equipment设备型号生产厂家拉力试验机LJ-500广州试验仪器厂制造冲击试验机XJJ-5河北承德试验机厂数显式液压万能试验机WES-5长春试验机厂烘箱DHG-9030A上海

37、一恒科技有限公司2.2 实验配方本实验的基本配方如表2.3。表2. 3 实验配方Figure 2.3 Experimental formula原料和试剂质量份不饱和聚酯(UPR)1002#引发剂（50%过氧化环己酮的邻苯二甲酸二丁酯糊）2.52#促进剂（8%-10%萘酸钴的苯乙烯溶液）2.5碳纤维(CF)变量2.3试验流程（1）模具制作硅胶模具制作（2）硝酸处理碳纤维试验处理碳纤维用的是液体氧化法中的浓硝酸（60%65%）处理。将碳纤维和浓硝酸按照质量比15 混合搅拌, 在室温15左右处理一定时间, 用去离子水冲洗至中性, 然后放到80烘箱内烘干为止。其中处理时间分别为1h、4h、8h三组不等

38、。（3）剪切碳纤维将分别进行了1h、4h和8h处理好的碳纤维分别剪成12mm和23mm。（4）浇铸样条按照配方称取所需原料和试剂，按照：不饱和聚酯碳纤维引发剂促进剂 的加料顺序加料，每加一样药品要搅拌均匀再加下一样药品。加料完成后静置3min后进行刮气泡，每隔两分钟刮一次，刮23次后进行浇注，浇注后再每隔2分钟进行一次刮泡补料重复操作23次后放置在常温下固化。固化24小时后在80下进行3小时的后处理。2.3.1实验流程图本实验的流程如图2.1。图 2.1 试验流程图Figure 2.1 Test flow chart2.4力学性能的表征将浇铸好的CF/UPR复合材料的样条和空白试验的样条测出宽

39、和厚，然后在万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为100mm/min，并记录拉伸强度、拉伸弹性模量和拉伸断裂伸长率。用冲击试验机测量无缺口冲击强度。3结果分析3.1碳纤维处理时间不同时力学性能的分析配方：不饱和聚酯：100 碳纤维：3(12mm) 引发剂：2.5 促进剂：2.5本实验对碳纤维进行1、4和8的浓硝酸（60%65%）表面处理，然后对处理后的CF/UPR复合材料的力学性能进行了测试，结果见表3.1。表3.1 碳纤维处理时间和材料力学性能Table 3.1 Carbon fiber processing time and material mechanics performance碳

40、纤维处理时间（h）148拉伸强度（MPa）28.629.230.9拉伸弹性模量（MPa）744.9760.0774.5拉伸断裂伸长率（%）4.34.13.8冲击强度（J/）340.2346.8371.2复合材料的拉伸强度与碳纤维的处理时间关系如图3.1。图3.1 拉伸强度与纤维处理时间的关系曲线Figure 3.1 Tensile strength and fiber to the processing time relationship curve复合材料的拉伸断裂伸长率与纤维处理时间的关系如图3.2。图3.2 拉伸断裂伸长率与纤维处理时间的关系曲线Figure 3.2 Tensile el

41、ongation at break and fiber to the processing time relationship curve复合材料拉伸弹性模量与纤维处理时间的关系如图3.3。图3.3 拉伸弹性模量与纤维处理时间的关系曲线Figure 3.3 Tensile elastic modulus and fiber processing time relationship curve复合材料冲击强度与碳纤维处理时间的关系如图3.4。图3.4冲击强度与碳纤维处理时间的关系曲线Figure 3.4 Impact strength and carbon fiber processing ti

42、me relationship curve纤维质量比相同（3%）的CF/UPR复合材料，拉伸强度随着碳纤维处理时间的增长而略有提高，浓硝酸4小时处理后的拉伸强度比1小时处理后拉伸强度的升高了2.10%，而碳纤维8小时浓硝酸处理后的拉伸强度比一小时的提升了8.04%；拉伸弹性模量随着纤维处理时间的增长而增长，4小时比1小时处理后拉伸弹性模量提高了1.40%，8小时比1小时处理的升高了3.34%；拉伸断裂伸长率随纤维表面的处理程度略有降低，4小时比1小时的降低了4.65%，8小时处理比1h的降低了11.63%；而冲击强度随纤维的处理程度的增加而有所提高，4小时处理的比1小时处理的提高了1.94%，

43、8小时比1小时的提高了9.12%。复合材料弯曲强度与碳纤维处理时间的关系如表3.2。表3.2 弯曲强度与纤维处理时间Table 3.2 Bending strength and fiber to the processing time试样无碳纤1h硝酸处理碳纤4h硝酸处理碳纤8小时硝酸处理碳纤弯曲强度(MPa)42.63541.55242.13144.273弯曲模量(MPa)353.01355.55362.24465.92试样规定挠度(mm)4.724.514.264.18复合材料弯曲强度与碳纤维处理时间的关系如图3.5。图3.5 弯曲强度和纤维处理时间Figure 3.5 Bending s

44、trength and the fiber processing time复合材料弯曲强度与碳纤维处理时间的关系如图3.6。图3.6 弯曲模量和纤维处理时间Figure 3.6 Bending modulus and fiber processing time通过分析，弯曲强度和弯曲模量都是随着碳纤维的处理时间的提高而提高，4小时比1小时处理的弯曲强度增加1.39%，8小时比1小时的弯曲强度增加6.55%。4小时比1小时处理的弯曲模量增加1.88%，8小时处理的比1小时处理的增加了31.04%但是1小时处理的碳纤维增强的不饱和聚酯的弯曲强度降低，可能是由于碳纤维有拔出现象或纤维与基体之间的粘结

45、力不强形成缺陷。弯曲挠度随着碳纤维处理时间和碳纤维的加入挠度减小。3.2碳纤维不同用量时力学性能的分析复合材料的力学性能与碳纤维用量关系如表3.3。表3.3 材料性能与纤维用量Table 3.3 The material properties and fiber dosage纤维质量分数（%）035710拉伸强度(MPa)12mm碳纤32.728.632.535.734.323mm碳纤32.731.734.237.633.2拉伸模量(MPa)12mm碳纤744.9749.5768.4792.6811.723mm碳纤744.9762.1780.2823.6855.1复合材料的力学性能与碳纤维用量

46、关系如表3.7。图3.7 拉伸强度与纤维质量分数Figure 3.7 Tensile strength and fiber quality score复合材料的力学性能与碳纤维用量关系如图3.8。图3.8 拉伸弹性模量与纤维质量分数Figure 3.8 Tensile elastic modulus and fiber quality score试验结果，拉伸强度随着碳纤维含量的增加分别在3%以前出现略微降低的现象，在碳纤维质量分数为3%时的12mm长度的CF/UPR的拉伸强度为28.6MPa,比不加碳纤维的强度降低12.54%。23mm的CF/UPR在质量分数为3%时拉伸强度为31.7MPa

47、，比不加碳纤维的降低3.06%。这主要是：一碳纤维的横向强度很差，在碳纤维加入量少的时候，在基体树脂中碳纤维纵向提高的拉伸强度不足以补偿横向碳纤维对树脂强度的减弱，二是少量的碳纤维加入，在树脂基体中形成了一定的缺陷，强度有所下降。而随着含量的继续增加，纤维承受了主要应力使拉伸强度开始增加，但是在纤维质量分数达到10%时强度下降，碳纤维密度较小，在相同质量下，体积较大，当填充量大于10%（质量分数）时已经由于黏度大出现很多气泡，致使拉伸强度下降。所以碳纤维的含量会由于黏度的过高而受到限制，不适合浇铸成型。同样质量分数的碳纤维，碳纤维长度越短，黏度越小，即碳纤维长度越小所能加进的碳纤维含量（质量分数）越多。随着基体内纤维数量的增加，纤维承受了主要应力，在纤维增强树脂复合材料中，基体树脂通过界面将应力传递给高强度纤维，从而提高了复合材料的力学性能树脂主要起传递应力的作用，所以复合材料的模量提升幅度增大。3.3碳纤维取向与力学性能的关系碳纤维的剪切长度与复合材料的拉伸、冲击性能关系如表3.4。表3.12 纤维长度与拉伸、冲击性能Table 3.12 Fiber length and stretching, impact performance冲击强度（MPa）拉伸强度（MPa）12mm长CF338.431.467mm长CF322.033.5图3.9 力学强