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微胶囊增韧树脂基复合材料的研究

袁莉  
【摘要】: 氰酸酯树脂(CE)和双马来酰亚胺(BMI)这两种高性能树脂基复合材料具有优异的力学性能,良好的耐热性和抗疲劳性等优点,使得它们可应用于航空航天、电子等许多领域,但是他们均存在固化后树脂基体脆性大、韧性差等缺点,又使得它们的应用受到一定限制,因此有关CE和BMI的增韧改性研究较多。在树脂基体中埋置包覆有液态物质的微胶囊可起到增韧树脂基复合材料的作用,这类微胶囊在树脂基复合材料应用的潜在趋势,使得合成可以应用树脂基复合材料的微胶囊和制备埋置有微胶囊的树脂基复合材料成为研究热点。本文拟合成一种具有良好耐热性的微胶囊,以CE和BMI为研究对象,制备微胶囊增韧的CE和BMI树脂基复合材料。主要研究内容有: 以尿素、甲醛为壁材原料,以双酚A型环氧树脂(DGEBPA)为囊芯,采用原位聚合法合成以聚脲甲醛(PUF)包覆DGEBPA微胶囊(MCEs)。讨论不同工艺参数如聚脲甲醛预聚体、尿素与甲醛重量比、搅拌速率、表面活性剂浓度、pH值调节时间和升温速率等对MCEs物理性能的影响。利用傅立叶红外光谱(FTIR)分析MCEs的化学结构,通过光学显微镜(OM)、金相显微镜(MS)、扫描电子显微镜(SEM)观察MCEs的形貌。利用能量X-射线衍射能谱仪(EDAX)分析MCEs的表面组成,采用OM技术确定MCEs的壁厚及粒径大小与分布。利用差示扫描量热法(DSC)和热失重分析法(TGA)分析MCEs的热性能。分析MCEs在丙酮中的渗透性能,初步分析了MCEs的力学性能。研究结果表明,MCEs可以成功采用原位聚合法合成,通过调节不同工艺参数可以控制MCEs的尺寸大小与表面形貌。合成出的MCEs具有良好的储存性,并具有良好的耐热性、耐溶剂性以及一定力学性能。 将合成的MCEs应用到4,4′-二氰酸酯基二苯丙烷(BADCy)树脂体系中,探讨了MCEs对BADCy体系反应性的影响,制备BADCy/MCEs体系及其纤维复合材料,分析MCEs对材料力学性能的影响,采用SEM技术分析了材料的微观形貌,初步分析了MCEs对材料的增韧机理。研究结果表明,在较低温度下,由于MCEs受热过程较长,囊芯扩散使BADCy体系的凝胶时间随着MCEs含量的增加而降低;在较高温度下,MCEs的加入对BADCy体系的凝胶时间影响较小。MCEs的加入能增加BADCy体系的反应活性。适量MCEs加入可提高BADCy及其复合材料的力学性能以及耐水煮性能。MCEs的加入会降低BADCy的T_d及其复合材料的玻璃化转变温度(T_g)。 将合成的MCEs应用到O,O′-二烯丙基双酚A树脂(BA)改性的N,N′-二氨基二苯甲烷双马来酰亚胺(BMI)体系中,探讨MCEs对BMI/BA体系反应性的影响。制备BMI/BA/MCEs树脂基体及其复合材料。探讨了材料的力学性能,采用SEM技术分析了材料的微观形貌,初步分析MCEs对材料的增韧机理。研究结果表明,MCEs的加入对BMI/BA体系反应性无明显影响。适当MCEs加入可提高BMI/BA体系及其复合材料的力学性能和耐水煮性能。MCEs的加入会略降低BMI/BA体系的热分解温度,但不会降低其复合材料体系的Tg。 MCEs对BADCy和BMI/BA体系的主要增韧机理类似于橡胶弹性体对热固性树脂的增韧机理,即在应力作用下,作为分散相的MCEs可以引发微裂纹和剪切带,吸收大量的断裂能,同时起到抑制、钝化裂纹的作用。由于MCEs粒径大小不同及纤维之间存在一定的间隙大小,不同粒径大小MCEs对复合材料的增韧机理可能不同。对于大粒径MCEs而言,由于纤维之间的间隙相对较小,不能保护MCEs,在复合材料成型加压过程中,MCEs易发生破裂,释放的囊芯DGEBPA在受热过程中可能发生聚合反应,从树脂基体中分离出来,形成两相结构,从而起到增韧作用,同时释放出的囊芯还可能改善树脂基体与纤维之间粘接力而达到提高材料性能的目的。对于小粒径的MCEs,由于纤维之间的间隙可以作为MCEs的天然保护场所,MCEs对材料的增韧作用主要是通过在树脂基体中引发微裂纹和剪切带,抑制或钝化裂纹的扩展来实现的。


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