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改性环氧树脂基体及其复合材料研究

洪旭辉  
【摘要】:本文分别通过两种途径改性环氧树脂,建立了CY40和3221两个体系。 首先研究了用氰酸酯树脂(CE)改性环氧树脂(EP),采用正交试验方法系统考察体系的配方—固化反应机理—固化工艺—固化产物及其与各种性能之间的联系与关系,以求寻找最佳树脂配方和合理的固化工艺参数,建立了CE/EP=40/60的CY40体系。其次研究了不同环氧树脂的相互混合改性,通过选择不同特性的两类环氧树脂(双酚A型环氧树脂CYD-128和多官能缩水甘油胺型环氧树脂Ag-80)和两种类型的固化剂(酸酐和双氰胺)、促进剂(叔胺和取代脲),从单组分树脂和固化剂的固化反应与性能的基本试验研究出发,进而对多组分混合树脂的固化反应与性能的综合试验分析,获得了最佳组合的配方与固化工艺条件,建立了3221体系。 本文的主要研究结果如下: CE改性EP体系 CE与EP的配比是影响固化产物热变形温度(HDT)、吸水率和介电性能的主要因素。CE含量高对降低固化物的介电常数ε和介电损耗tan δ有利,HDT和吸水率则当CE/EP分别为40/60和30/70时达到最佳。本试验中所用的HY—1型氰酸酯树脂与CYD-128型环氧树脂的质量比为40/60,即氰酸酯基团和环氧基团的摩尔比为0.90左右,促进剂异辛酸钴的用量为0.05%(质量份)时(CY40体系),固化产物的耐热性及其综合性能最佳。 通过红外光谱分析表明:在较低温度固化时(≤160℃),氰酸酯首先发生了三聚体反应,其次再同环氧官能团反应直接生成噁唑啉、噁唑烷酮以及异氰酸脲。同时也进行了噁唑啉同环氧官能团的反应;在较高温度下固化时(≥180℃),主要进行的是三聚氰酸酯重排生成异氰酸脲的反应以及异氰酸脲同环氧官能团生成噁唑烷酮的反应;固化产物中噁唑烷酮、异氰酸脲和三聚氰酸酯的含量受环氧官能团含量的影响较大,环氧官能团含量适量增加有利于噁唑烷酮和异氰酸脲的生成。 CY40体系的反应动力学参数为: 活化能Eal=89.0kJ.mol-1,Ea2=88.5kJ.mol- 频率因子A1=5.70×109,A2=3.11×108 反应速率常数k125℃=1.43×10-6,k1180℃=3.11×10-1 k225℃=9.5×10-8,k2180℃:1.94×10-2 说明体系的两个独立反应对温度的敏感性相同;氰酸酯的三聚反应在氰酸酯基浓度高时发生快;氰酸酯改性环氧树脂体系具备了潜伏型固化体系的特征。 经氰酸酯树脂改性后,体系的耐热性提高。CY40体系的使用温度可达130℃,比未改性体系提高50℃以上。 CY40体系比未改性体系的耐湿热性能亦有所改善。在湿态下,CY40/EW220复合材料的使用温度达130℃,其力学性能保持率优良。 CE/EP体系中的CE含量增加,固化产物的ε和tan δ下降,在升高温度和湿态处理后ε和tan δ的稳定性好。 复合体系3221 通过用几种不同类型环氧树脂及两种固化剂优化混合后建立的3221体系具有耐热性能、耐湿热性、介电性能和工艺性等综合性能优良的特点。3221体系的活化能为84.2kJ.mol-1,固化温度为·120-130℃,室温下的适用期为1个月。 研究表明,对于3221体系,提高固化温度使固化度增加,Tg增大。但过高或过低的固化度均会给材料的湿态性能带来不利影响。这种影响主要表现在两个方面:一方面固化度过低或高都会使材料的吸水率上升,使材料湿态Tg下降幅度增大,模量保持能力以及介电稳定性变差;另一方面,固化度过高会使3221混合环氧树脂固化体系的相容性变差,从而影响材料的使用温度。因此对于3221环氧树脂复合材料而言,在120-130℃下固化2h较为理想。


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