玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的制備

1、綜合實驗研究玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的制備院系：航空航天工程學部專業(yè)：高分子材料與工程專業(yè)指導教師：于祺學生姓名：王娜目錄第2章概述1玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的研究現狀1.2本次試驗的目的及方法第2章手糊法制備玻纖/環(huán)氧樹脂復合材料1實驗原料2.1.1環(huán)氧樹脂2.1.2玻璃纖維2.1.3咪哇固化劑2.1.4活性稀釋劑2. 2手糊成型簡介4實驗部分2.4. 1實驗儀器4. 2實驗步驟第3章力學性能測試1剪切強度2彎曲強度3實驗數據的分析3. 1浸膠的用量及均勻度3. 3.2固化時間與溫度的影響3. 3. 3活性稀釋劑的用量第4章結論與展望1結論與展望參考文獻1.

2、1玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復材的研究現狀EP/玻璃纖維(GF)復合材料是言丁前研究比較成熟、應用最廣的一種復合材料。EP/GF復合材料具有質量輕、強度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異、原料 來 源廣泛、工藝性好、加工成型簡便、生產效率高等特點，并具有材料可設計性 及特 殊的功能性如屏蔽電磁波、消音等特點，現已成為國民經濟、國防建設和科技發(fā)展中 無法代替的重要材料。且復合材料的研究水平已成為一個國家或地區(qū)科 技經濟水平 的標準之一。目前美，日，西歐的水平較高，北美，歐洲，日本的產量分別占33%, 32%, 30%o毋庸置疑,EP/玻璃纖維(GF)復合材料的質量輕，高 強度等優(yōu)于金屬的特性，會 在某

3、些領域更廣泛的使用，L1前復材的粘接性能與力學性能成為主要的研究方面。 U前主要的成型方法有手糊成型，纏繞成型，熱壓管成型，RTM成型，拉擠成型。2本次試驗的目的及方法實驗山學生自行設計采用一種固化體系，用手糊成型方法制備EP/玻璃纖維(GF) 復合材料，再測量材料的力學性能如，彎曲，剪切。目的在于了解材料科學實驗所涉及到的設備的基本使用。掌握環(huán)氧樹脂固化體系的配置及設計。對手糊成型操作了解，及查找文獻完成論文的能力。就此要求我們笫2組采用環(huán)氧樹脂E-44, 20cmx20cm的玻璃纖維布13張，用咪 醴固 化劑并加入稀釋劑防止體系過粘。通過查閱相關文獻，確定咪哇固化環(huán)氧樹脂的最 佳固化條件：

4、60C/2h+80C/2h，制備了玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，之后將制備 的樣品進行力學性能測試，其層間剪切強度為5. 750Mpa，彎曲強度為127. 64Mpa4/1* OOC.第2章手糊法制備玻纖/環(huán)氧樹脂復合材料2.1實驗原料2.1.1環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是含有兩個或兩個以上的環(huán)氧基，并在適當的試劑的作用下能夠交聯(lián)成網絡結構的一 類聚合物。它是一類具有良好粘接、耐腐蝕、電氣絕緣、高強度等性能的熱固性高分子合成材 料。其中，雙酚A縮水甘油目迷型環(huán)氧樹脂的原材料來 源方便、成本低，所以在環(huán)氧樹脂中它的C H3C H3良好的加工性未固化的環(huán)氧樹脂本身分子間的內聚力小，分子有擴展的傾向，故應用最

5、廣，產量最大，約占環(huán)氧樹脂總 量的85%以上（9）。其化學結構如下: 從環(huán)氧樹脂本身的結構分析，其主要特點如下： H- （1良好的加工性未固化的環(huán)氧樹脂本身分子間的內聚力小，分子有擴展的傾向，故樹脂的流動性好，且易于和固化劑及其他材料如填充劑等混合，因此有良好的加工性。（2）粘著性強山于樹脂中的脂肪族疑基、迷鍵和環(huán)氧基的存在，這些極性基能與含有 金屬、硅酸鹽、活潑氫的材料表面產生較強的分子間作用力或發(fā)生反應產生化學鍵，因此環(huán)氧 樹脂的粘著性很強，有萬能膠之稱。（3）可低壓成型且收縮率小環(huán)氧樹脂通常在固化時沒有低分子副產物產生，所以不會 產生氣泡，可以低壓成型，而且收縮率小，它的熱膨脹系數也很小

6、（一般為6. 0 XIOATi），環(huán)氧樹脂是熱固性樹脂中收縮率最小的一種，在100C固化時收縮率為 0. 5%,在200C固化時為2. 3%o（4）化學穩(wěn)定性好環(huán)氧樹脂分子結構中無酚性疑基，乂無酯鍵，所以其 耐堿性比酚醛 樹脂和聚酯樹脂要好，此外，在固化后的體形結構中有穩(wěn)定的苯環(huán) 和迷鍵，故耐酸性、耐溶劑 性以及耐水性也很好，在室溫下吸水率在0.5%以下。（5）有較好的力學性能環(huán)氧樹脂固化以后，在交聯(lián)點間有一定的距離，中間鏈除含苯 環(huán)外還有兩個迷鍵，具有一定的活動性，因而脆性較小，基本屬于硬而強韌性的材料， 所以具有較高的機械強度。另外與酚醛樹脂、聚酯樹脂比較 環(huán)氧樹脂也具有較好的介電 性能。

7、1.2玻璃纖維布玻璃纖維（英文原名為：glass fiber或fiberglass ）是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，種類繁多， 優(yōu)點是絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好，機械強度高，但缺點是性脆，耐磨性較差。玻璃纖維 布是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經高溫熔 制、拉絲、絡紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直 徑為兒個微米到二十兒米個 微米，相當于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5 ,每束纖維原絲都曲數白根甚至 上千根單絲組成。我國生產的玻璃布，分為無堿和中堿兩類，國外大多數是E-GLASS無堿玻 璃布。玻璃布主要用于生產各種電絕緣層壓板、印刷線路板、各種車輛車體、貯罐、船艇、模 具等。中堿玻璃布主要用于生產

8、涂塑包裝布，以及用于耐腐蝕場 合?？椢锏奶匦杂衫w維性能、 經緯密度、紗線結構和織紋所決定。經緯密度乂由 紗結構和織紋決定。經緯密加上紗結構，就 決定了織物的物理性質，如重量、厚 度和斷裂強度等。有五種基本的織紋：平紋plan （類似方 格布）、斜紋twill （-般-45度）、緞紋statin （類似單向布）、羅紋len。（玻璃纖維網格布主要 織法）和席紋 matts （類似牛津布）o其分類：1、 按成分：主要是中堿、無堿、高堿（是對玻璃纖維中堿金屬氧化物的成分進行分類），當 然也還有由其它成分進行的分類，但品種太多，不一一列舉2、按制造工藝：堆竭拉絲和池窯拉絲。3、按品種：有合股紗、直接紗、

9、噴射紗等。另外，就是按單纖維直徑、TEX數、捻度、浸潤劑類型進行區(qū)分。玻璃纖維布的分類與纖維紗的分類是相通的，除了上述以外，還包括：織法、克重、幅度等。2. 1. 3咪醴固化劑常用的咪醴類環(huán)氧樹脂固化劑包括咪庇，2-中基咪醴，2-乙基-4-甲基咪醴，2-苯基咪醴等，與一般的環(huán)氧樹脂固化劑相比，它具有以下兒個方面的優(yōu)點：（1）用量少（一般為樹脂用量的0. 5% 10% ），揮發(fā)性低，毒性小。固化活性較高，中溫條件下短時間即可固化。固化物熱變形溫度高，有優(yōu)異的耐化學介質性能、電絕緣性能力學性能。除用作主固化劑外，還可作為助固化劑和固化促進劑，能夠明顯改善環(huán)氧樹脂固化體系 的性能。咪醴類環(huán)氧樹脂固化

10、劑除上述優(yōu)點外，還存在一些缺點和問題,具體表現在：咪醴類化合物多為高熔點的結晶固體粉末，與液態(tài)的環(huán)氧樹脂混合困難，工藝性能較差。咪醴類固化劑在高溫下有一定的揮發(fā)性和吸濕性。品種較少，不能滿足特殊的施匚工藝以及對固化物的某些特定要求。常用咪吐類固化劑山于固化活性較高，因此與環(huán)氧樹脂混合后適用期較短，不能作為單 組分體系較長時間貯存。咪醴類的固化機理：咪醴類固化劑分子中存在1位仲胺氮原子和3位叔胺氮原子它對環(huán)氧樹脂進 行固化反應時一般認為咪醴環(huán)上的3位氮原子首先使環(huán)氧樹脂上的環(huán)氧基開環(huán)，當1位氮原子上 存在氫原子時，發(fā)生氫原子轉移，然后1位氮原子在與環(huán)氧樹脂反應，形成1:2加成產物；當1 位氮原子

11、上存在取代基時1位氮原子不與環(huán)氧樹脂發(fā)生開環(huán)反應僅3位氮原子使環(huán)氧樹脂中的環(huán) 氧基開環(huán)形成1： 1產物。最后環(huán)氧基開環(huán)產生的氧負離子繼續(xù)催化環(huán)氧樹脂開環(huán)聚合。O H O H N HjC一CM-R-|=1 fCH CHjQ3IN N ： +CHR H=J / 明成、石 02.1.4活性稀釋劑活性稀釋劑按英每個分子所含反應性基團的多少，可以分為單官能團活性稀釋劑和多官能團 活性稀釋 劑。單官能團活性稀釋劑每個分子中僅含一個可參與固化反應的基團，如甲基丙烯酸書-疑乙酯(HEMA) O多官能團活性稀釋劑是指每個分子中含有兩個或兩個以上可參與固化反應基團的活性稀釋劑，如1,6- 己醇二丙烯酸酯(HDDA

12、)。采用含較多官能團的單體，除了增加反應活性外，還能賦予固化膜交 聯(lián)結構。這是因為，單官能團單體聚合后只能得到線 形聚合物，而多官能團的單體可得到高交聯(lián)度網 絡。手糊成型是指用手工或在機械輔助下將增強材料和熱固性樹脂鋪覆在模具上，使樹脂固化 后形成復合材料的一種成型方法。手糊成型工藝包括叫（-）原材料的準備：（1）玻璃纖維織物的準備注意事項：1）玻璃布的經緯向強度不同，對要求正交各項同性的制品，則應將玻璃布經緯 向交替鋪覆。2）裁剪玻璃布的大小，應根據制品尺寸、性能要求和操作難易來確定。玻璃布 越大制品強度越高，因此裁剪玻璃布時應盡可能裁剪得大些。（2）樹脂膠液的配制是將樹脂、固化劑或引發(fā)劑、

13、促進劑、填料和助劑等混合均勻， 常溫固化的樹脂具有很短的適用期，必須在凝膠以前用完。樹脂膠液配制的關鍵是凝膠時 間和固化程度的控制。凝膠時間是指在一定溫度下樹脂、引發(fā)劑、促進劑混合以后到凝膠 所需要的時間。手糊成型工藝要求樹脂在成型操作完成以后的一段時間內凝膠，使樹脂能 充分浸透增強材料。（二）模具的準備及脫模劑的涂刷（1）模具的準備玻璃鋼模具的準備方法如下：2）新模具要對照圖樣組裝，核對模具的形狀、尺寸及脫模斜度。3）如果是使用過的模具，則要檢查模具的破損情況，如有破損要進行修補，如 果發(fā)現模具表面粗糙，則應按下列順序仔細地加以修整:用從粗到細的水砂紙加水打磨； 用拋光膏或拋光水拋光；上拋光

14、蠟。3）保管模具時要蓋好聚乙烯薄膜，防止粉塵、油污、水汽等粘附模具。（2）涂刷脫模劑石蠟類脫模劑的涂刷方法如下：清除模具表面的水分、灰塵、污 垢，充分干燥模具；將石蠟脫模劑在模具表面按一定方向、一定順序輕輕地擦拭，模具 的凸部、棱角要特別注意涂均勻；待干燥后用軟布擦亮；大部分石蠟類脫模劑都含有 揮發(fā)性物質，所以卓復涂刷時，中間應有一定的時間間隔，待上次所涂刷涂膜劑中的揮發(fā) 物完全揮發(fā)掉再涂下一次。（三）膠衣層的準備為了改善樹脂固化中收縮帶來的表面質量問題，并延長其使用壽命，在制品表 面往往做一層樹脂含量較高、性能較好的層面，它可以是純樹脂層，也 可用表面氈增強， 通常稱為膠衣層。其厚度一般約為

15、0.25-0. 5 mm,根據不同的性能要求，選用不同的膠衣樹 脂。（四）復合材料制品的糊制及固化（五）脫模、修整及裝配2. 4實驗部分2.4. 1實驗儀器設備表2 2實驗用主要儀器設備設備名稱型號生產單位電子精密大平JM-BL-1003余姚市紀銘稱重校驗設備有限公司電熱鼓風干燥箱DHG-9075A上海-怛科學儀器有限公司微電子拉力機RG30502. 4. 2實驗原料及步驟原料：根據上述原料的性質及實驗要求我們取環(huán)氧樹脂E-44 100g，活性稀釋劑30g，咪醴類固化劑用量03%取3. 9go 20cmx20cm的玻璃纖維布15張。固化條 件：60C/2h+80C/2ho實驗步驟：（1）實驗前

16、的準備將實驗中所需的材料放在實驗臺上，將模具與樹脂的接觸面用脫模劑涂上薄薄的一層，用剪子按照模具的尺寸剪出15塊20cmx20cm玻璃纖維布，待用。（2）樣品的稱量將塑料杯放在精密天平上去皮后倒入E-44環(huán)氧樹脂稱取100g,將稱取好的環(huán)氧樹脂杯 去皮后再稱取30g稀釋劑，將稱好的體系再去皮后稱3. 9g咪醴。（3）攪拌將稱好的固化環(huán)氧樹脂體系用玻璃棒攪拌，直至藥品均勻，充分混合為止。(4(4)糊制及固化將裁剪好的一片玻璃纖維布放在脫模布上，用刷子蘸取攪拌后的適量的環(huán)氧樹脂 放在纖維布上，用刷子或硬紙板將樹脂與纖維充分浸膠，涂抹均勻后再放一層纖維布，重 復操作，直到鋪完15層纖維布。將另一塊脫

17、模布放在上面，最后將其放在模具上，并在 模具上放一塊板將其壓實，放在烘箱中固化。先將溫度調為60C固化2h,再將溫度調為80C 固化2h脫模及修整將固化好的制品從烘箱中取出，將制品從模具總取下來。對制品進行裁剪、打磨、 修整，得到接近LI標尺寸b 10mm,h3mm,L80mm的彎曲樣條3根。b6mm,h3mm,L40mm剪 切樣條6根。第3章力學性能測試3.1剪切強度我們將6根試樣分別進行測試，根據剪切強度公式得數據如下:4/加其中q短梁層間減切強度，MPa；P試樣破壞時的最大載荷，N；b試樣寬度，mm；b試樣寬度，mm；h試樣厚度，mm；剪切強度平均剪切強t (MPa)壽 /re、)度 r

18、 ( MPa)試樣平均寬度b(mm)試樣平均高度h(mm)試樣所能承受的 最大力p(N)16.002.92142.26.125.7525.702.86137.66.2436.002.95128.355.5346.002.98131.85.6856.132.98124.95.0965.573.00125.455.823. 2彎曲強度我們將3根彎曲樣條分別進行測試，根據彎曲強度計算公式得以下數據:3pLy 二2bh2a彎曲強度,MPa;P最大載荷，N;L跨距，mm; L=16hb試樣寬度，mm;h試樣厚度，mm;試樣寬度b(mm)試樣厚度h(mm)最大載荷p(n)跨距L(mm)彎曲強度a(MPa)

19、b平均彎曲強度(MPa)110.002.90142.8548122.2929.903.00153.8048124.28127.6439.973.00169.9548136373. 3實驗數據的分析測試后得剪切強度為5. 75MPa彎曲強度為127. 64MPa,對比其他組結果發(fā)現本組強度偏低。暫且找到一組數據相仿的組的樣品作對比進行分析。環(huán)氧量固化劑固化劑活性稀固化時間四切強彎曲強EO日用量釋劑用度度MPa量MPa本組100g咪哇3.9g30g60C/2h+80C/2h75127.64參考組100g咪哇3.6g20g70C/lh+100C/2h7.618140. 172從實驗數據對比及樣品外觀

20、形貌可分析出影響玻纖環(huán)氧樹脂復材的力學性能的因素主要是 以下三點。3. 3. 1浸膠的用量及均勻度從固化后的樣品外觀發(fā)現顏色深淺不一，從測試上發(fā)現同塊樹脂板材料的試樣受力不均勻 判斷是手糊成型時樹脂涂抹不均勻所致。3. 3. 2活性稀釋劑的用量多加了活性稀釋劑但稀釋劑是參與反應的，沒有相應增加適量的咪坐，導致固化不完全3. 3.3。固化時間與溫度的影響對咪醴的描述是常溫下可固化且反應迅速，所以在溫度上采用了最低值，但因活性稀釋劑 放的多的原因導致應固化溫度及時間都增長，但操作中給的低所以固化不完全。第4章結論與展望結論：本文主要是研究環(huán)氧樹脂基體的玻璃纖維增強的配方設汁和性能測試以及手糊成型 藝參數：通過查閱相關文獻定出環(huán)氧樹脂體系的配方，并選用咪哇為其固化劑，添加稀釋 劑來降低其粘度。通過文獻查閱，確定環(huán)氧樹脂的最佳固化參數，并對樹脂進行性能測試。 通過實驗，得出以下結論：（1）玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的配方為E-44環(huán)氧樹脂，固化劑為咪醴，增強 體短切玻璃纖維布，稀釋劑。（2）通過查閱文獻，定出最佳固化工藝參數：60C/2h+80C/2h+100C/2h。（3）玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能得到極大的提高，其層間剪 切強度 為 7. 618MPa，彎曲強度為 140. 172MPa。展望：玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的研究和應用隨著高新技術的發(fā)展而 日益深入。 其