摘要:為降低Ｅ51環氧樹脂体系的反應活性和黏度,采用在Ｅ51環氧樹脂中添加适量活性稀釋劑以及在低分子量聚酰胺固化劑中混入适量改性胺固化劑的方法,配制了基于雙酚Ａ型Ｅ51環氧樹脂為基体的ＶＡＲＴＭ工藝用環氧樹脂体系,同時對不同活性含量的ＶＡＲＴＭ樹脂的工藝性能及澆鑄体的力學性能進行了測試研究。結果表明,減少低分子量聚酰胺固化劑的用量及在一定范圍內增加改性胺固化劑的用量可有效降低樹脂体系的低溫反應活性,活性稀釋劑含量的多少不僅影響樹脂体系黏度高低,而且影響到其澆鑄体力學性能。

關鍵詞:复合材料;真空輔助樹脂傳遞模塑工藝;澆鑄体;活性稀釋劑;力學性能

ＶＡＲＴＭ是一种使用由單面金屬底板和彈性真空袋組合而成的閉模模具,借助負壓抽吸作用驅動樹脂流動的低成本液体模塑成型技術[1]。在ＶＡＲＴＭ充模過程中,由于樹脂的最大驅動壓力僅為1個大气壓,与正壓驅動的剛性金屬閉模ＲＴＭ成型工藝相比,ＶＡＲＴＭ成型模腔內樹脂的流動速度相對較慢,因此,為提高ＶＡＲＴＭ成型過程中樹脂的流動速度,确保樹脂能夠充分浸潤模腔內的增強纖維預成型体,目前除使用樹脂快速分配和短流程浸潤技術外[2],控制所用樹脂体系黏度和凝膠時間是保証ＶＡＲＴＭ制品尺寸和樹脂浸潤質量的重要方法。

由于高性能承力复合材料制件多選用環氧樹脂為基体材料,因此研制适宜ＶＡＲＴＭ工藝用環氧樹脂体系是其應用的關鍵。近年來國外對ＶＡＲＴＭ工藝

用環氧樹脂進行了合成及改性等方面的研究,以降低黏度和固化溫度,延長樹脂凝膠時間,提高樹脂力學性能,并已商業化生產多种高性能環氧樹脂[3],但因存在成本較高的問題,不利于ＶＡＲＴＭ工藝的推廣應用,為此,本文選用通用的雙酚Ａ型Ｅ51環氧樹脂為基体,利用樹脂复配工藝方法,配制了适宜ＶＡＲＴＭ工藝用的環氧樹脂体系,并對其工藝和澆鑄体的力學性能進行了研究。

1　實驗部分

1 1　材　料

Ｅ-51型環氧樹脂,環氧值0 49,天津合成材料研究所生產;501型單環氧稀釋劑,天津合成材料研究所生產;ＴＹ 300型低分子量聚　胺,胺值280,天津燕海化工有限公司生產;ＴＭ型改性胺固化劑,胺值300,天津燕海化工有限公司生產。

1 2　儀器与設備

ＮＤＪ-79型旋轉式黏度計,同濟大學机電厂生產;ＣＳ501型恒溫水浴,南通科學儀器厂生產;ＤＳＣ7型差式掃描量熱儀,美國ＰＥＲＫＩＮＥＬＭＥＲ公司生產;ＡＧ-250ＫＮＥ型万能材料實驗机,日本島津公司生產;ＫｉｎｇＳｕｎｙＤＰ10型真空干燥箱,重慶精信儀器有限公司生產;澆鑄体成型組合式金屬模具,自制。

1 3　性能測試

樹脂黏度按ＧＢ Ｔ12007 4—1989規定的方法測試;凝膠時間按ＧＢ Ｔ12007 7—1989規定的方法測試;樹脂澆鑄体拉伸強度按ＧＢ Ｔ2568—1995規定的方法測試;樹脂澆鑄体彎曲強度按ＧＢ Ｔ2570—1995規定的方法測試。

1 4　澆鑄体制備

根据混配比例,將稱量好的Ｅ51型環氧樹脂、501型單環氧稀釋劑、ＴＹ 300型低分子量聚　胺和ＴＭ型改性胺固化劑于燒杯中進行均勻混合并置于真空干燥箱中真空脫泡15ｍｉｎ,將處理好的樹脂混合液体倒入已預熱的組合式澆鑄体成型金屬模具中,在烘箱中依設計的溫度曲線進行固化成型,待其自然冷卻到室溫,脫模即得所需結构尺寸的澆鑄体。

2　結果与討論

2 1　固化劑含量對樹脂流變性能的影響

根据氨基氫与環氧基物質的量比應為1︰1的胺類化劑固化環氧樹脂的理論計算式,并考慮到低分子聚酰胺的加入量可調幅度大及ＶＡＲＴＭ工藝用樹脂体系黏度低的特點,經計算确定了如表1所示的4种不同配方的ＶＡＲＴＭ工藝用樹脂体系,同時對其在35℃條件下的凝膠時間与黏度進行了測試。由表1所示結果可知,當300#低分子聚　胺在樹脂体系中的質量比由25減到10,且ＴＭ型改性脂肪胺所占質量比相應的由5增加到15時,樹脂黏度与樹脂固化反應速率均有不同程度的降低。与ＶＭ1配方相比較,ＶＭ4配方的凝膠時間增加了近50%,達到126ｍｉｎ,而其黏度降低20 7%,達到1100ｍＰａ‧ｓ。這主要是由于体系中黏度和反應活性均高于ＴＭ型改性脂肪胺的300#低分子聚　胺含量降低所致。根据ＶＡＲＴＭ工藝适宜用樹脂凝膠時間不小于2ｈ[4](在25℃的溫度條件下)的技術性能標准,确定樹脂与固化劑的最佳質量比為ｍ(Ｅ51型環氧樹脂)︰ｍ(300#低分子聚　胺)︰ｍ(ＴＭ型改性脂肪胺)=100︰10︰15。

2 2　活性稀釋劑含量對樹脂黏度的影響

由表1可知,在35℃的溫度條件下,不同比例的Ｅ51型環氧樹脂、300#低分子聚　胺和ＴＭ型改性脂肪胺直接混配所得的樹脂体系黏度均高于1000ｍＰａ‧ｓ,如將此高黏度樹脂体系直接應用于ＶＡＲＴＭ注膠工藝中,不僅導致樹脂流動速度較慢,而且會影響到樹脂對纖維預制件的浸潤質量,因此為降低樹脂的黏度,在該体系中添加了一定比例的501型單環氧活性稀釋劑。為确定活性稀釋劑的有效添加量,不同溫度條件下,對ＶＭ4配方中添加不同量活性稀釋劑的樹脂黏度進行了測試,結果如圖1所示。可以看出,隨著活性稀釋劑添加量的增加,樹脂体系的黏度逐漸降低。在25℃的溫度條件下,當活性稀釋劑質量分數分別為5%、10%、15%、20%時,与未添加活性稀釋劑的樹脂相比,黏度分別降低39 1%、64 3%、70 0%、84 5%,達到700、410、350、175ｍＰａ‧ｓ,根据ＶＡＲＴＭ工藝用樹脂体系黏度低于500ｍＰａ‧ｓ[4]的技術要求,并考慮到盡可能地保持原有樹脂体系的力學性能,确定501型單環氧活性稀釋劑添加比例范圍為10%～15%。

2 3　稀釋劑對澆鑄体力學性能的影響

2 3.1　樹脂固化工藝的确定

為确定ＶＭ4配方樹脂体系的固化工藝,在不同升溫速率條件下,采用動態ＤＳＣ法對ＶＭ4樹脂体系固化放熱峰曲線的峰始溫度、峰頂溫度和峰終溫度進

行測試,實驗結果如表2所示。利用Ｔ β外推法[5]求得其近似膠凝、固化和后固化溫度分別為54、105、170℃,在此基礎上,确定ＶＭ4樹脂体系固化工藝為75℃ 2ｈ+110℃ 2ｈ+170℃/3ｈ。

3.2　活性稀釋劑含量對澆鑄体力學性能的影響

表3為不同活性稀釋劑含量對澆鑄体拉伸強度和彎曲強度的影響。可以看出,當活性稀釋劑的添加量不超過8%時,与未添加活性稀釋劑的澆鑄体相比,其拉伸強度和彎曲強度降低幅度較小;當活性稀釋劑的添加量到10%、15%時,与未添加活性稀釋劑的澆鑄体相比,澆鑄体拉伸強度分別降低8.3%、9.6%,彎曲強度分別降低14.5%、23.9%。

由于活性稀釋劑的加入,降低了澆鑄体的分子交聯密度,因此澆鑄体拉伸強度和彎曲強度隨著活性稀釋劑添加量的增加而降低。綜合考慮ＶＭ4配方樹脂体系的工藝性能和力學性能,确定活性稀釋劑的添加量為10%。

3　結　論

1)在基于通用的Ｅ51型環氧樹脂的ＶＡＲＴＭ工藝用樹脂体系中,通過在300#聚　胺中混用一定比例的低黏度ＴＭ型改性脂肪胺固化劑,可有效地降低該樹脂体系的黏度和低溫反應活性,并使其凝膠時間指標達到ＶＡＲＴＭ工藝的要求。

2)在25℃的溫度條件下,當Ｅ51型環氧樹脂、300#聚　胺和ＴＭ型改性脂肪胺混合体系中的活性稀釋劑添加量達到或超過10%時,其黏度值可較好地滿足ＶＡＲＴＭ工藝性能的要求。

3)當活性稀釋劑添加量達到或超過10%時,隨著活性稀釋劑添加量的增加,由于樹脂固化物交聯密度的降低,澆鑄体拉伸強度和彎曲強度逐漸降低。

4)在ＶＭ4配方樹脂体系中,綜合考慮ＶＡＲＴＭ工藝用樹脂的低黏度工藝特性和澆鑄体力學性能,确定活性稀釋劑的添加量為10%。

參考文獻:

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