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碳纤维/乙烯基酯树脂拉挤复合材料的环境老化行为研究

王莉莉  
【摘要】:本论文研究了实验室模拟环境(湿热、酸、碱、盐)下,碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)拉挤复合材料的环境老化行为,测定了复合材料在65℃和95℃蒸馏水、3%NaCl水溶液、5%H2SO4水溶液和10%NaOH水溶液中的吸湿特性,分析了环境因素对其动态、静态力学性能的影响以及该复合材料在不同介质中的老化机理,为碳纤维连续抽油杆的井下老化过程及寿命预测提供了理论基础。 通过吸湿率的测定确定了CF/VE拉挤复合材料在不同介质中的吸湿特性。结果表明,在蒸馏水和3%NaCl水溶液中,CF/VE拉挤复合材料的吸湿符合菲克(Fick)第二定律。即:浸泡初期复合材料的吸湿率快速增加,且与t1/2呈线性,随后减缓并逐渐偏离线性,并最终趋于吸湿平衡;在5%H2SO4水溶液中,浸泡前期复合材料的吸湿与Fick扩散相似,但后期吸湿率略有下降;而在10%NaOH水溶液中,复合材料的增重率先线性增加,而后略有下降,最后又随浸泡时间的延长而单调增加。另外,升高温度加快了水在复合材料中的扩散速度,增大了复合材料的平衡含湿率。 通过动态机械热分析(DMTA)考察了环境条件对复合材料动态力学性能的影响。结果表明,CF/VE拉挤复合材料的储能模量(E')随浸泡时间的延长而下降,力学损耗(tanδ)随浸泡时间的延长而增大,且温度越高影响越大;复合材料的玻璃化转变温度(Tg)下降趋势基本与吸湿率的增加趋势相对应。在10%NaOH水溶液中,复合材料的Tg随浸泡时间的进一步延长而继续下降。而在95℃蒸馏水和3%NaCl水 WP=4 溶液中,复合材料的Tg达最小值后又略有升高,这是由于水与树脂基体间的不同结合状态所致。 采用万能材料试验机定期测定CF/VE拉挤复合材料的弯曲和剪切性能,考察环境条件对复合材料宏观力学性能的影响。结果表明,环境条件引起了CF/VE拉挤复合材料弯曲及剪切强度的下降,且其下降趋势与复合材料吸湿率的增加趋势相对应。DMTA、红外光谱(IR)分析及扫描电镜(SEM)结果表明,在蒸馏水和3%NaCl水溶液中复合材料有着相同的老化机理,即:复合材料的性能变化是由基体树脂的溶胀并塑化、界面脱粘以及基体、界面的形貌变化引起的,未发生化学反应。并且温度升高没有改变复合材料的老化机理,只是改变了复合材料的吸湿速度和平衡含湿量,进而导致了其性能变化幅度的不同。而在5%H2SO4和10%NaOH水溶液中,除了上述物理老化外,复合材料还不同程度地发生了水解反应,且温度不同水解程度不同。在10%NaOH水溶液中乙烯基酯树脂中的酯键和醚键发生了不同程度的水解,65℃时,溶出物主要为小分子脂肪醇;95℃时,较大的芳香族物质含量有所提高。


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