玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备

综合实验研究综合实验研究 玻璃纤维增强环氧树脂基 复合材料的制备 院系航空航天工程学部 专业高分子材料与工程专业 指导教师于祺 学生姓名王娜 1 目录 第1章 概述 1.1 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的研究现状 1.2 本次试验的目的及方法 第2章 手糊法制备玻纤/环氧树脂复合材料 2.1 实验原料 2.1.1 环氧树脂 2.1.2 玻璃纤维 2.1.3 咪唑固化剂 2.1.4 活性稀释剂 2.2 手糊成型简介 2.4 实验部分 2.4.1 实验仪器 2.4.2 实验步骤 第 3 章 力学性能测试 3.1 剪切强度 3.2 弯曲强度 3.3 实验数据的分析 3.3.1 浸胶的用量及均匀度 3.3.2 固化时间与温度的影响 3.3.3 活性稀释剂的用量 第 4 章 结论与展望 4.1 结论与展望 参考文献 2 第第1 1章章 概述 1.11.1 玻璃纤维增强环氧树脂复材的研究现状玻璃纤维增强环氧树脂复材的研究现状 EP/玻璃纤维GF复合材料是目前研究比较成熟、 应用最广的一种复合材料。 EP/GF 复合材料具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料 来源广泛、工艺性好、加工成型简便、生产效率高等特点,并具有材料可设计性 及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等特点,现已成为国民经济、国防建设和科 技发展中无法代替的重要材料。 且复合材料的研究水平已成为一个国家或地区科 技经济水平的标准之一。目前美，日，西欧的水平较高，北美，欧洲，日本的产 量分别占 33，32，30。毋庸置疑，EP/玻璃纤维GF复合材料的质量轻，高 强度等优于金属的特性，会在某些领域更广泛的使用，目前复材的粘接性能与力 学性能成为主要的研究方面。目前主要的成型方法有手糊成型，缠绕成型，热压 管成型，RTM 成型，拉挤成型。 1.21.2 本次试验的目的及方法本次试验的目的及方法 实验由学生自行设计采用一种固化体系，用手糊成型方法制备 EP/玻璃纤维 GF复合材料，再测量材料的力学性能如，弯曲，剪切。目的在于 1，了解材料科学实验所涉及到的设备的基本使用。 2，掌握环氧树脂固化体系的配置及设计。 3，对手糊成型操作了解，及查找文献完成论文的能力。 就此要求我们第 2 组采用环氧树脂 E-44，20cm 20cm 的玻璃纤维布 15 张，用咪 唑固化剂并加入稀释剂防止体系过粘。通过查阅相关文献，确定咪唑固化环氧树 脂的最佳固化条件60℃/2h80℃/2h， 制备了玻璃纤维增强环氧树脂复合材料， 之后将制备的样品进行力学性能测试，其层间剪切强度为 5.750Mpa，弯曲强度 为 127.64Mpa。 3 第2章 手糊法制备玻纤/环氧树脂复合材料 2.12.1 实验原料实验原料 2.1.1 环氧树脂 环氧树脂是含有两个或两个以上的环氧基， 并在适当的试剂的作用下能够交联成 网络结构的一类聚合物。它是一类具有良好粘接、耐腐蚀、电气绝缘、高强度等 性能的热固性高分子合成材料。其中， 双酚 A 缩水甘油醚型环氧树脂的原材料来 源方便、成本低，所以在环氧树脂中它的应用最广，产量最大，约占环氧树脂总 量的 85以上[9]。其化学结构如下 CH3 H2C O CH3 C CH3 OCH2CHCH2 HCH2 COC CH3 OCH2CHCH3 OH n O O 从环氧树脂本身的结构分析，其主要特点如下 （1）良好的加工性 未固化的环氧树脂本身分子间的内聚力小，分子有扩 展的倾向，故树脂的流动性好，且易于和固化剂及其他材料如填充剂等混合，因 此有良好的加工性。 （2）粘着性强 由于树脂中的脂肪族羟基、醚键和环氧基的存在，这些极 性基能与含有金属、硅酸盐、 活泼氢的材料表面产生较强的分子间作用力或发生 反应产生化学键，因此环氧树脂的粘着性很强，有万能胶之称。 （3）可低压成型且收缩率小 环氧树脂通常在固化时没有低分子副产物产 生，所以不会产生气泡，可以低压成型，而且收缩率小，它的热膨胀系数也很小 （一般为 6.010-5℃-1） ， 环氧树脂是热固性树脂中收缩率最小的一种， 在 100℃ 固化时收缩率为 0.5，在 200℃固化时为 2.3。 （4）化学稳定性好 环氧树脂分子结构中无酚性羟基，又无酯键，所以其 耐碱性比酚醛树脂和聚酯树脂要好，此外， 在固化后的体形结构中有稳定的苯环 和醚键，故耐酸性、耐溶剂性以及耐水性也很好，在室温下吸水率在0.5以下。 4 （5）有较好的力学性能 环氧树脂固化以后，在交联点间有一定的距离， 中间链除含苯环外还有两个醚键，具有一定的活动性，因而脆性较小，基本属于 硬而强韧性的材料， 所以具有较高的机械强度。 另外与酚醛树脂、 聚酯树脂比较， 环氧树脂也具有较好的介电性能。 2.1.2 玻璃纤维布 玻璃纤维（英文原名为glass fiber 或 fiberglass ）是一种性能优异的无机 非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高， 但缺点是性脆， 耐磨性较差。玻璃纤维布是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔 制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个 微米， 相当于一根头发丝的 1/20-1/5 ， 每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单 丝组成。我国生产的玻璃布，分为无碱和中碱两类，国外大多数是 E-GLASS 无碱 玻璃布。玻璃布主要用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、各种车辆车体、 贮罐、船艇、模具等。中碱玻璃布主要用于生产涂塑包装布，以及用于耐腐蚀场 合。织物的特性由纤维性能、经纬密度、纱线结构和织纹所决定。经纬密度又由 纱结构和织纹决定。经纬密加上纱结构，就决定了织物的物理性质，如重量、厚 度和断裂强度等。有五种基本的织纹平纹 plan类似方格布、斜纹 twill一 般-45 度、缎纹 statin类似单向布、罗纹 leno玻璃纤维网格布主要织法 和席纹 matts类似牛津布。 其分类 1、按成分主要是中碱、无碱、高碱（是对玻璃纤维中碱金属氧化物的成分进 行分类），当然也还有由其它成分进行的分类，但品种太多，不一一列举 2、按制造工艺坩埚拉丝和池窑拉丝。 3、按品种有合股纱、直接纱、喷射纱等。 另外，就是按单纤维直径、TEX 数、捻度、浸润剂类型进行区分。 玻璃纤维布的分类与纤维纱的分类是相通的，除了上述以外，还包括织法、克 重、幅度等。 5 2.1.3 咪唑固化剂 常用的咪唑类环氧树脂固化剂包括咪唑, 2-甲基咪唑, 2-乙基-4-甲基咪唑, 2- 苯基咪唑等,与一般的环氧树脂固化剂相比,它具有以下几个方面的优点 1 用量少一般为树脂用量的 0. 5～10 ,挥发性低,毒性小。 2 固化活性较高,中温条件下短时间即可固化。 3 固化物热变形温度高,有优异的耐化学介质性能、电绝缘性能力学性能。 4 除用作主固化剂外,还可作为助固化剂和固化促进剂,能够明显改善环氧 树脂固化体系的性能。 咪唑类环氧树脂固化剂除上述优点外,还存在一些缺点和问题,具体表现在 1 咪唑类化合物多为高熔点的结晶固体粉末,与液态的环氧树脂混合困难, 工艺性能