腰果酚碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料

1、腰果酚碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料摘要碳纖維對四官能環(huán)氧樹脂2,2'-雙4-(4-氨基苯氧基苯基)丙烷的腰果酚改性丙烷基復(fù)合材料都被調(diào)查了。差示掃描量熱技術(shù)被用來研究純的樹脂的固化反應(yīng)。對復(fù)合材料的介電性能進(jìn)行了比較。使用的腰果環(huán)氧樹脂在腰果/環(huán)氧樹脂摩爾比小于0.3/1減環(huán)氧樹脂提高了耐化學(xué)性以及復(fù)合材料的機(jī)械性能，如彎曲強(qiáng)度和彈性模量，拉伸強(qiáng)度和模量，層間剪切強(qiáng)度。腰果酚含量下降等高級特性。對復(fù)合材料的性能進(jìn)行了觀察最高與環(huán)氧樹脂有腰果腰果樹脂/環(huán)氧樹脂為0.3/ 1的摩爾比。 1996年約翰威利父子公司。簡介樹脂的性質(zhì)對單向碳纖維復(fù)合材料的性能有很大影響。復(fù)合材料力學(xué)性能基于增加環(huán)氧功能可

2、提高環(huán)氧樹脂，因為該樹脂可在交聯(lián)更好的參與。因此，許多四官能環(huán)氧樹脂已為高性能復(fù)合材料被開發(fā)，比如TGMDA,TGADB和最近的TGBAPC以及TGBAPP。此外，環(huán)氧樹脂里的添加劑基團(tuán)可被用于實現(xiàn)部分特定的屬性。近年來，腰果酚的添加劑被賦予了很多關(guān)注。腰果酚提取于腰果果殼提取液（CSNL）是一種天然的不飽和一C15烷基苯酚側(cè)鏈的位置。腰果可以參加，無論是在苯酚反應(yīng)小組或雙鍵的反應(yīng)。環(huán)氧腰果已被用來作為環(huán)氧樹脂活性稀釋劑，從而提高了抗彎強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度，但降低了固化率。腰果酚的增塑劑和柔韌劑可和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料一起用于抑制火箭推進(jìn)劑，要求伸長率大和溫和的拉伸強(qiáng)度。另一方面，腰果酚能與環(huán)氧樹脂樹脂

3、之間通過腰果酚的-OH基團(tuán)和環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基在適當(dāng)?shù)臏囟葞Щ虿粠Т呋瘎┓磻?yīng)。與長鏈存在的腰果在腰果酚環(huán)氧產(chǎn)品鏈可以給脆性基體的一些具體特征，如更多的彈性，柔韌性，疏水性等，從而改善材料的一些性質(zhì)。然而,這些效果至今還沒有完全被研究好。本文通過測量DSC和一些性質(zhì)其碳纖維復(fù)合材料，如介電性能，力學(xué)性能，耐化學(xué)性。研究了基于TGBAPP的腰果酚環(huán)氧樹脂的固化行為。實驗材料這個根據(jù)其它的報告的程序所準(zhǔn)備的環(huán)氧樹脂TGBAPP，擁有188克/當(dāng)量環(huán)氧當(dāng)量（確定由鹽酸法）。所用的化學(xué)品實驗室級試劑。由操作臺24mm汞柱的真空蒸餾得到的腰果酚有1.5094的折射率和在20下485cps的布氏粘度。在150

4、±5° C，腰果酚環(huán)氧制備了腰果樹脂/環(huán)氧摩爾比0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6（分別對應(yīng)CE1，CE2，CE3，CE4，CE5，和CE6）以2-甲基咪唑為催化劑。反應(yīng)直達(dá)環(huán)氧當(dāng)量停止改變才結(jié)束。二（P-氨基環(huán)氧基）甲烷（PACM-20）作為固化劑。碳纖維在本研究用的是TenaxHTA 200 tex f3000 (Tenax Fibers GmbH & Co. KG,Germany)。根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)，該纖維的性能是捻0/Z15噸/米，單絲直徑7pm，密度1.77公克立方公分，拉伸強(qiáng)度3950兆帕，拉伸模量238 GPa和斷裂伸長率1.55。DSC純

5、的樹脂在在Perkin- Elmer公司的差示掃描量熱(Norwalk, CT)進(jìn)行了DSC分析。該系統(tǒng)用一個熱功能已知的樣本校準(zhǔn)過?；旌系臉渲c固化劑在環(huán)氧/胺1 / 1量比5分鐘然后進(jìn)行測量。樣本（-10毫克）以10/分鐘的速率在20-240° C的溫度范圍下在干燥氮氣中進(jìn)行掃描。圖1：DSC曲線純的環(huán)氧樹脂和腰果，環(huán)氧樹脂：（1）環(huán)氧樹脂（2）CE2（3）CE4（4）CE6。從DSC掃描得到的放熱峰分析得到的熱流曲線是時間和溫度的函數(shù)。從熱流量，根據(jù)弗里曼，卡羅爾方法計算活化能量（E）和固化反應(yīng)（n）。復(fù)合材料的制備單向碳纖維環(huán)氧復(fù)合腰果被用于這項研究。復(fù)合板是用預(yù)浸按體積的6

6、0纖維含量組成。這個切成薄片的沒有方向性的預(yù)浸料在160下固化1小時。把這個化合物再次在180下固化2小時。測量所有評估層壓板的測量在室溫（20）下進(jìn)行的。節(jié)電性能的測量使用文獻(xiàn)中描述的電橋。阻抗，介電常數(shù)，和介質(zhì)損耗因子(tan)是在1KHZ頻率下測定的。垂直單向碳纖維層被應(yīng)用于電氣領(lǐng)域。如拉伸，彎曲，和層間剪切強(qiáng)度等機(jī)械性能，分別采用了ASTM D3039- 76，D790-71，D2344-84測定。耐化學(xué)性的評估是依據(jù)美國ASTM D543- 87。這個樣品用不同的方案浸在水中30天，如20氫氧化鈉，20鹽酸，10HN03，丙酮。表II 復(fù)合材料的介電性能結(jié)論與討論DSC一些選定的掃描

7、圖所示，固化的特征可以直接從DSC掃描得到，如固化初始溫度（Ti）,放熱峰（Tp）,及固化完成溫度（Tf）,活化能（Ea）和固化反應(yīng)級數(shù)根據(jù)弗里曼卡羅爾方法計算載于表一?？梢钥闯觯h(huán)氧樹脂在78時開始交聯(lián)，在136時形成一個峰，說明是一個明顯的反應(yīng)，而CE系統(tǒng)需要更高的溫度。腰果酚的作用在CE系統(tǒng)中是顯而易見的，因為他們的Ti,Tp和Tf隨著腰果酚量的增加而增加。這就意味著腰果酚的增加提高了活化能（就如在表I所示的，從86.0到109.7kJ/mol）并且降低了固化速率和反應(yīng)最終得到環(huán)氧基團(tuán)程度。這可能是由于分子量的增加和腰果酚長烴的空間效應(yīng)和隨腰果酚含量的增加而降低的環(huán)氧功能。介電性能介電性

8、能的測量如復(fù)合材料（表II）的阻抗（Z），表介電常數(shù)（E）和介質(zhì)損耗因子(tan)表明了腰果酚鏈長降低了復(fù)合材料的介電性能。由于在腰果酚中弱的和非極性的長鏈導(dǎo)致了腰果隨著酚含量的增加膜極性的降低。在另一方面，腰果酚含量的增加降低了環(huán)氧功能從而降低了對熱固性樹脂有著很大影響的交聯(lián)密度。但是，第二個作用比第一個作用對的介電性有更大的影響力，因此，介電性能隨腰果酚量的增加而增加。很明顯，低含量的腰果酚（從CE1到CE3）阻抗（Z），表介電常數(shù)（E）和介質(zhì)損耗因子(tan)的值變化緩慢，而高含量（CE4至CE6），他們以更快的速度變化。機(jī)械性能所有評估層壓板的測量在室溫（20）下進(jìn)行的。節(jié)電性能的測量

9、使用文獻(xiàn)中描述的電橋。阻抗，介電常數(shù)，和介質(zhì)損耗因子(tan)是在1KHZ頻率下測定的。如拉伸強(qiáng)度，和模量，彎曲強(qiáng)度和模量，層壓復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度等一些機(jī)械性質(zhì)在表III中已給出。樹脂的性質(zhì)對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較大。其機(jī)械性能隨腰果酚從CE1的到CE3的增加而增加。這可能是由于一個事實，即長鏈烷基的腰果的存在提高了靈活性以及伸長率和剛性環(huán)氧樹脂基體的斷裂韌性，因此，拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度，模量和層間剪切強(qiáng)度增加。此外，環(huán)氧和CE3復(fù)合材料斷口形貌，還審議通過掃描電子顯微鏡（SEM），如圖2所示。對于這兩種情況，有失敗的界面與基體，纖維斷裂和纖維證據(jù)拉出來;然而，在CE3中的基體變形比在環(huán)氧

10、樹脂式樣中的更占主導(dǎo)地位，顯示出纖維基體界面粘附是由基質(zhì)中腰果存在改善。這導(dǎo)致的拉伸模以及層間剪切強(qiáng)度和其他力學(xué)性能增加。圖2：該復(fù)合材料的斷口掃描電鏡顯微照片的基礎(chǔ)上（a）環(huán)氧樹脂和（b）CE3基體。在日本JEOL的JSM - 5200，加速電壓為20千伏下操作。相反，腰果酚的增加降低了環(huán)氧功能并因此降低了基體交聯(lián)（正如在介電性能里面討論的），這樣極大地影響了機(jī)械性能。因此，在較高的腰果數(shù)量（>0.4）在CE表中，機(jī)械性能隨著腰果酚的增加而下降。耐化學(xué)性在水中浸泡后30天標(biāo)本和化學(xué)品，既沒有在維也沒有顏色的變化，但質(zhì)量的變化進(jìn)行了測定，結(jié)果列于表4。很明顯，大多數(shù)CE復(fù)合材料的質(zhì)量比環(huán)

11、氧復(fù)合材料增加的低，降低試劑吸收與腰果酚含量從CE1的大大增加，而到CE3它從鈰提高到CE6。而且，吸收劑隨著腰果酚含量從CE1到CE3的增加而大大降低，然而在CE4到CE6卻是增加的。該試劑吸收改良可以解釋了長期腰果烷基鏈?zhǔn)杷??；w交聯(lián)密度的下降可能主要是因為樣本具有高腰果酚含量獲得了質(zhì)量的增加。在硝酸和丙酮額溶液中獲得的質(zhì)量比在水和其他溶液中的要高，因為硝酸是一種氧化反應(yīng)試劑，不僅可以與基體而且與碳纖維反應(yīng)，丙酮是一種很好的溶劑的樹脂在固化前。在硝酸和丙酮溶液中的質(zhì)量損失也被關(guān)注，但并沒有觀察到質(zhì)量損失。結(jié)論環(huán)氧樹脂及環(huán)氧樹脂固化腰果反應(yīng)的活化能，發(fā)現(xiàn)在范圍84.2-109.7千焦耳/摩

12、爾。腰果酚改性環(huán)氧樹脂在腰果/環(huán)氧樹脂摩爾比小于0.3提高了耐化學(xué)性以及力學(xué)性能如彎曲強(qiáng)度和模量，拉伸強(qiáng)度和模量，以及層間剪切強(qiáng)度；然而，它降低他們的碳纖維復(fù)合材料的介電性能。另一方面，高含量的腰果酚降低了基體交聯(lián)，這對許多復(fù)合材料的性能有負(fù)面影響。這項工作得到了越南科學(xué)與技術(shù)國家委員會根據(jù)材料科技項目的支持。我們要感謝教授B. M. Rode,Professor K. Moser和 Dipl-.Eng. N. Strolz為他們的實驗室在中國科學(xué)院化學(xué)研究所和系結(jié)構(gòu)分析和增強(qiáng)塑料在因斯布魯克，奧地利的大學(xué)使用。參考文獻(xiàn)1. J. R. Theodore, Tech. Chair., Engi

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