第二章 复合材料基体-不饱和聚酯树脂.ppt

1、第二章 复合材料的基体 材料,引言,基体为连续相，把分散的增强材料粘结成一个整体，形成复合材料。,引言,复合材料的基体 金属 陶瓷 聚合物,2. 1 聚合物材料（polymer),聚合物（polymer)，高分子，分子量高达1万100万，由简单的结构单元组成。,2. 1. 1 聚合物的结构与性能,1. 聚合物的结构 聚合物的结构有以下特点： （1）分子量很大 由很大数目的结构单元组成，分子量高达1万100万 有线型、支链、网状的结构,1. 聚合物的结构,（2）聚合物分子含有官能团、端基 官能团、端基可与其它反应基团反应，对反应后的物理、力学性能影响很大。,1. 聚合物的结构,（3）聚合物分子间

2、的作用力对于聚合物结构以及复合材料的物理力学性能有密切关系 一般聚合物的主链有一定的内旋转自由度，具有柔性；结构单元间有强烈的相互作用，形成刚性链。,2. 聚合物的性能,(1)力学性能 聚合物本身就是一类材料，聚合物的力学性能与复合材料的力学性能有密切关系。,2. 聚合物的性能,(2)耐热性能 耐热性：材料在一定温度上限长期使 用，而它的力学性能不低于原来的 80。 聚合物具有刚性分子链、结晶性、交联结构，有利于提高耐热性。,2. 聚合物的性能,(3)耐腐蚀性能 较好的化学稳定性，对酸、碱、盐溶液、水、有机溶剂有不同的稳定性。 超过许多金属及合金材料。 表25,2. 聚合物的性能,(4)介电性

3、能 良好的电绝缘性。 聚合物的极性越大，材料的介电性能 越差。 表26,2. 聚合物的性能,（5）其它性能 表27 密度 减震 消音 透光 隔热,2. 聚合物的性能,成型加工性能好 可模塑性、可挤压性、可延性、可纺性。 一次成型。,2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分和作用,（1）聚合物基体的种类 热固性树脂：分子量较小的液态或固态预聚体，固化后，形成不熔不溶的三维网状高分子。 热塑性树脂：是线型或有支链的高分子，可溶可熔，可反复加工成型。,2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分和作用,热固性树脂：基体中使用最多的是不饱和聚酯树脂，另外还有环氧树脂，酚醛树脂等。 热塑性树脂：聚乙烯、聚丙烯、

4、聚氯乙烯等。,2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分和作用,（2）聚合物基体的组分 聚合物：主要成分 辅助材料：固化剂、稀释剂、催化剂、增韧剂等。 改进工艺、降低成本、扩大应用范围,2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分和作用,（3）聚合物基体的作用： 1）把纤维粘在一起，形成整体，并使纤维位置固定。 聚合物基体的原始状态为低粘度的液体，迅速变成坚固的固体。,2. 1. 2 聚合物基体的种类、组分和作用,2）分配纤维间的载荷： 基体在纤维间起分散和传递载荷的作用。 3）保护纤维不受环境影响。 4）决定复合材料的一些性能。 5）决定复合材料成型工艺方法及工艺参数：热固性、热塑性,2. 1. 3

5、不饱和聚酯树脂,2. 1. 3 不饱和聚酯树脂,常用的基体材料，主要用于玻璃纤维复合材料。 占玻璃纤维复合材料用树脂总量的80以上。,2. 1. 3 不饱和聚酯树脂,主链上同时具有重复酯键和 不饱和双键的一类线型聚合物。,2. 1. 3 不饱和聚酯树脂,1. 不饱和聚酯树脂的特点 （1）工艺性能良好： 室温下固化，常压下成型。(突出）,1. 不饱和聚酯树脂的特点,（2）固化后树脂的综合性能良好 许多牌号 通用、专用树脂 颜色浅彩色制品 透光性好采光瓦,彩色制品,采光瓦,1. 不饱和聚酯树脂的特点,(3) 价格低廉： 价格远低于环氧, 略高于酚醛。,1. 不饱和聚酯树脂的特点,不足之处： 固化时

6、体积收缩率较大，强度较低。 用于民用工业、生活用品。,2. 不饱和聚酯树脂的组成,不饱和聚酯是不饱和二元酸和二元醇的结合物。 通过加入饱和二元酸如苯酐、间苯二甲酸酐或己二酸来调节树脂的不饱和度。,（1）不饱和二元酸,顺丁烯二酸酐： 缩水量少 价廉,（1）不饱和二元酸,反丁烯二酸： 有较快固化速率，较高的固化程度，较高热变形温度，良好的力学性能等。,（1）不饱和二元酸,顺丁烯二酸、衣康酸、中康酸等,（2）饱和二元酸,邻苯二甲酸酐 简称苯酐，有苯环结构，与交联单体苯乙烯有良好的相容性。 间苯二甲酸 固化后，有更好的力学性能，表面性能好，制备胶衣（gel coat) 树脂。,（2）饱和二元酸,对苯二

7、甲酸：强度高。 内次甲基四氢邻苯二甲酸酐：耐热好。 六氯内次甲基四氢邻苯二甲酸酐：自熄性。 脂肪二元酸：韧性增加。,不饱和酸和饱和酸的比例,等摩尔：一般采用 摩尔比增大：耐热、耐腐蚀性能等提 高。 摩尔比降低：力学强度下降。,（3）二元醇,丙二醇：与苯乙烯相容性好。 乙二醇：与苯乙烯相容性较差。 季戊四醇：耐热性提高。,结构式,表2.1 不饱和聚酯树脂的典型原料,不饱和聚酯树脂生产设备,1.反应锅 2.竖式分馏柱 3.竖式冷凝器 4.卧式冷凝器,生产工艺流程,不饱和聚酯树脂生产线,不饱和聚酯树脂,不饱和聚酯树脂,二元酸和二元醇的种类很多。使用不同的种类、不同的组合、不同的配比就可以确定不同的分

8、子链结构得到各种各样性质的树脂。 表2.2是国内生产的一些不饱和聚酯树脂品种。,表2.2 国产的一些不饱和聚酯树脂品种,船用树脂,上海 307 常州 189 刚性、耐水性,手糊通用树脂,上海 3193 常州 196,耐腐蚀树脂,上海 323 常州 197,缠绕树脂,传递模塑树脂,浇铸树脂,拉挤树脂,彩色胶衣树脂,为了使玻璃钢复合材料有更好的防护性能和美观性，通常其表面设计为具有防护和美观作用的富树脂层，由不饱和聚酯树脂固化得到，这就是胶衣层。,彩色胶衣树脂,制造工艺 分为分散和配色两部分，即先将基体树脂加入气相二氧化硅分散得到胶衣树脂，然后加入色浆得到彩色胶衣。,彩色胶衣树脂,基体树脂 气相二

9、氧化硅高速分散 砂磨胶衣树脂 色浆计算机配色分散检验成品,阻燃树脂,食品级树脂,纽扣、钢琴,3、不饱和聚酯树脂的固化,不饱和聚酯树脂的固化是游离基聚合。通常使用有机过氧化物作催化剂，使不饱和聚酯和苯乙烯单体交联固化。,（1 ） 交联剂,对交联剂的要求 高沸点，低粘度，溶解性好。 无毒，反应活性大。 交联剂既是交联剂，又是溶剂。,（1 ） 交联剂,苯乙烯 特点：低粘度液体，混溶性好。 双键活性很大，可与不饱和双键 发生共聚。 缺点：沸点低（145），有毒性。 用量：2050,（1 ） 交联剂,乙烯基甲苯 沸点高，毒性较小，材料的柔软性较好。 固化时体积收缩率较低。,（1 ） 交联剂,甲基丙烯酸甲

10、酯 特点： 折射率较低。 粘度较小，有利于提高浸润度。 不足：沸点低 有难闻气味 固化产物结构较疏松,不饱和聚酯树脂的固化,(1)不饱和聚酯分子在固化前是长链形的分子，其分子量一般为10003000，这种长链形的分子可以和不饱和单体（如苯乙烯等）交联而形成具有复杂结构的庞大的网状分子。,不饱和聚酯树脂的固化,(2)不饱和聚酯树脂固化后主要形成不均匀的连续网状结构。 这些网状结构的大分子具有刚性、回弹性、柔性、抗腐性、耐侯性或阻燃性。,（2） 引发剂,不饱和聚酯树脂的固化是游离基反应。,（2） 引发剂,过氧化二苯甲酰 异丙苯过氧化氢 过氧化二异丙苯 过氧化环己酮 过氧化甲乙酮,（2） 引发剂,临

11、界温度 引发剂具有引发活性的最低温度。 过氧化二苯甲酰 70 过氧化二异丙苯 120 过氧化环己酮 88 过氧化二叔丁基 100,（2） 引发剂,半衰期 在给定的温度下，引发剂分解一半所需要的时间。 半衰期温度 半衰期（小时） 70 13 72 10 85 2.1 100 0.4,（2） 引发剂,十小时半衰期温度 用10小时，使引发剂分解50所需的温度。,（2） 引发剂,常用引发剂的牌号 1引发剂 2引发剂 3引发剂,（2） 引发剂,1#引发剂：过氧化二苯甲酰（简称BPO）溶解在邻苯二甲酸二丁酯中，成为50%的糊状物，称为1#引发剂。 2#引发剂：过氧化环己酮溶解在邻苯二甲酸二丁酯中，成为50

12、%的糊状物，称为2#引发剂。,（3） 促进剂,促进剂作用 把引发剂的分解温度降到室温以下。,（3） 促进剂,促进剂种类 对过氧化物有效：二甲基苯胺、二乙基苯胺。 对氢过氧化物有效：变价的金属钴，如环烷酸钴，萘酸钴。,（3） 促进剂,促进剂牌号 1促进剂 ： 10二甲苯胺的苯乙烯溶液。 2促进剂 ： 810萘酸钴的苯乙烯溶液。 注意： 引发剂，促进剂不允许直接混合。,（4）不饱和聚酯树脂固化的特点,凝胶阶段 硬化阶段 完全固化阶段,（4）不饱和聚酯树脂固化的特点,凝胶阶段 从加入促进剂后到树脂变成凝胶状态的一段时间。 影响凝胶时间的因素： 加入量，环境的温度和湿度，树脂体积，交联剂蒸发。,（4）

13、不饱和聚酯树脂固化的特点,硬化阶段 树脂从开始凝胶到一定硬度，能把制品从模具上取下为止的一段时间。,（4）不饱和聚酯树脂固化的特点,完全固化阶段 用后处理加速。,4、不饱和聚酯树脂的增粘特性,增粘剂 碱土金属氧化物或氢氧化物。 增粘过程 短时间内粘度迅速增加成为类似凝胶状物。 应用 制备模塑料。,模塑料,模塑料,片状模塑料 SMC,块状模塑料 BMC,团状模塑料 DMC,片状模塑料SMC Sheet molding compound,在二十世纪六十年代初首先出现在欧洲，在1965年左右，美、日相继发展了这种工艺。我国于80年代末，引进了国外先进的SMC生产线和生产工艺。,片状模塑料SMC Sh

14、eet molding compound,片状模塑料(SMC)是由不饱和聚酯树脂、低收缩添加剂、填料、固化剂、脱模剂及着色剂等组成的树脂糊浸渍短切玻璃纤维所制成的一种片状模压成型材料。材料的两面用聚乙烯薄膜被覆，使用时只需揭去薄膜，按产品的尺寸和重量剪裁叠层，放入模具中加热、加压，制成产品。,片状模塑料SMC Sheet molding compound,主要原料由SMC专用纱、不饱和树脂、低收缩添加剂，填料及各种助剂组成。,片状模塑料SMC Sheet molding compound,产品规格 幅 宽：1米 单 重：4-6kg/m2纤维含量：25-30,片状模塑料SMC Sheet mol

15、ding compound,SMC材料具有质轻、高强、良好的流动性和内着色性。形状复杂或异型制品可一次成型，同时，这种材料具有良好的可设计性，通过树脂、填料、助剂品种和用量的选择，可赋予制品耐腐蚀、绝缘、阻燃等特殊性能，以满足不同用途之需要。 目前，SMC制品已广泛应用于建筑、交通、电器等领域，用于制作汽车部件、组合式水箱、座椅、安全帽、电绝缘制品、机械零部件等。,水箱SMC,水箱SMC,SMC组合式水箱是目前国际上普遍采用的新型水箱，具有水质好、无渗漏、重量轻、外型美观、使用寿命长和安装方便等优点。 该水箱已列入国家重点推广的新产品项目和小康住宅推荐产品。,水箱SMC,SMC组合式水箱是目前

16、国际上普遍采用的新型水箱，具有独特的性能，解决了混凝土水箱重量大、易渗漏、易长青苔和钢板水箱的易锈蚀及防锈涂层对水质的污染等问题.,水箱SMC,水箱构造 SMC组合式水箱是由SMC模压单板，密封材料，金属结构件及配管系统组合拼装而成. 水箱密封系采用专用的密封带，该密封带无毒、耐水、弹性大、永久变形小，使用期在30年以上。,水箱SMC,1.底板 8.外梯 2.排水板 9.拉筋 3.壁板 10.支柱 4.顶板 11.接管法兰 5.人孔板 12.钢制底座 6.出气孔 13.混凝土撑条 7.内梯,大型SMC平板,大型SMC平板，其厚度可由2mm到40mm任意选择，切成各种规格及制做成各种颜色。具有轻

17、质、高强、绝缘性好、色泽均匀、平整度好、尺寸稳定性好、可设计性强等特点，目前，已广泛的应用在电器、运输、建筑等行业。,团状模塑料 DMC Dough molding compound,DMC材料于二十世纪60年代在前西德和英国，首先得以应用，而后在70年代和80年代分别在美国和日本得到了较大的发展。,团状模塑料 DMC Dough molding compound,主要原料由短切玻璃纤维、不饱和树脂、填料，以及各种添加剂经充分混合而成的团状预浸料。,团状模塑料,团状模塑料(BMC)是由不饱和聚酯树脂、低收缩添加剂、填料、固化剂、脱模剂及着色剂等组成的树脂糊浸渍短切玻璃纤维所制成的一种团状模压成

18、型材料。使用时只需放入模具中加热、加压，即得所需产品。,团状模塑料,BMC材料具有质轻、高强、良好的流动性和内着色性，形状复杂或异型制品可一次成型，同时，这种材料具有良好的可设计性，通过树脂、 填料、助剂品种和用量的选择，可赋予制品耐腐蚀、绝缘、阻燃等特殊性能，以满足不同用途的需要。目前，BMC制品已广泛应用于建筑、交通、电器等领域，用于制作汽车部件、电绝缘制品、机械零部件等。,团状模塑料,轿车车灯反光罩用注射团状模塑料(简称IBMC)是由不饱和聚脂、韧性助剂、低收缩添加剂、填料、玻璃纤维等组成的新型热固性注射团状模塑料。其制品的表面光学特性、高温热变形性能、耐老化性能、工艺性、生产效率等都优于金属材料轿车反光