高性能復合材料一般應具備較好的耐熱性,并有足夠的力學性能、耐久性、耐濕熱性和良好的成型工藝[1-4]。環氧樹脂固化體系作為高性能復合材料基體,一般選擇高溫固化和中溫固化兩種體系[5-10]。與高溫固化相比,中溫固化體系具有成型溫度低、成型周期短、對模具要求不嚴格、制品內應力小、尺寸穩定性好、抗斷裂韌性高等優點,是制作低成本、高性能復合材料的首選體系。本研究立足國內現有材料,以一種價格低廉、性能優異的環氧樹脂CYD128/DMP-30固化體系作為復合材料基體,DMP-30除了作為促進劑[4,5,6],本身也是一種性能優異的叔胺類固化劑,該固化體系具有很好的韌性、耐久性和耐濕熱性能。本文對CYD128/DMP-30體系固化工藝和性能做了系統的研究。

2　實　驗

2.1　原　料

環氧樹脂CYD128,環氧值0·51,岳陽石化;2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30),化學純,上海試劑三廠; E-玻璃纖維平紋布,0·2mm,陜西興平玻璃纖維廠;S-玻璃纖維簾子布,400g/m2,南京玻璃纖維研究設計院;T700S-碳纖維簾子布,200g/m2,南京玻璃纖維研究設計院。

2.2　試樣制備

澆鑄體制備:將CYD128環氧樹脂在50℃抽真空脫泡,加入DMP-30為5phr,攪拌均勻,澆鑄到涂有脫模劑并已預熱到50℃的模具,50℃抽真空脫泡。50℃固化2h,脫模,切割成試件。

復合材料的制備:手糊E-玻璃纖維平紋布,接觸壓成型,50℃固化2h,隨爐冷卻,切割成試件,按80℃不同時間后處理;采用真空加壓成型制備CYD128/DMP-30/S-玻璃纖維簾子布和CYD128/DMP-30/T700S-碳纖維簾子布復合材料,50℃固化2h,按80℃不同時間后處理。

2.3　性能測試

在不同恒溫下,測試膠液出現凝膠所對應的時間。凝膠化時間的測試溫度為20~80℃,以膠液不能拉絲時間為準。

DSC分析:采用美國TA·INSTRUMENT公司2910改進型示差掃描量熱儀(MDSC)。升溫速率分別為10℃/min,15℃/min,20℃/min,做出DSC曲線,從曲線上可得到樹脂反應放熱峰的峰始溫度Ti,峰頂溫度Tp,峰終溫度Tf。升溫速率從0℃掃描至200℃。

拉伸性能在1噸拉力試驗機上按GB/T2568-1995測試;彎曲性能在830011拉力試驗機按GB/T2657-1995測試;沖擊性能在XCJ-40沖擊試驗機按GB/T1041-92測試;熱變形溫度(HDT)采用自制熱變形溫度測試儀按照GB1634-79測試。Tg采用美國TA·INSTRUMENT公司2910型MDSC測試。升溫速率15℃/min,從室溫升至200℃。

復合材料彎曲強度在830011拉力試驗機上按GB3354-82測試;短粱剪切強度在1噸萬能試驗機上按GB3357-82測試。

3　結果與討論

3.1　凝膠化時間

為了了解CYD128/DMP-30固化體系的反應特性,測試了膠液20℃、40℃、60℃、80℃的凝膠時間。圖1為其凝膠化曲線。CYD128/DMP-30在室溫下適用期較短,20℃凝膠化時間為70min,在40℃以上的溫度有相對較長的適用期。

3.2　放熱特性研究

用DSC方法測試了其在不同升溫速率下的放熱曲線。不同升溫速率下的DSC分析結果見表1。由凝膠化時間和DSC分析結果可以看出,CYD128/DMP-30體系的反應溫度不高,在80℃以前就開始反應放熱,將固化工藝初步定在50℃/2h+80℃/2h。

3.3　澆鑄體性能

表2為澆鑄體固化50℃/2h,后固化80℃/2h性能測試結果。圖2為后固化時間對彎曲強度(σf)和HDT的影響曲線,彎曲強度隨著后固化時間延長增加很快,10h達到最大值156·7MPa,后固化時間超過10h,彎曲強度會迅速降低;HDT受后固化時間影響不大,最高為92℃。綜合考慮,CYD128/DMP-30體系最佳固化工藝為50℃/2h+80℃/10h。

3.4　連續纖維增強CYD128/DMP-30體系復合材料性能

低成本復合材料成型是現今復合材料的應用趨勢,它要求在滿足性能要求情況下成型工藝盡可能相對簡單。圖3為不同后固化時間對手糊接觸壓力成型E-玻璃纖維布復合材料彎曲強度(σf)和短梁剪切強度(τs)的影響,其纖維體積含量(Vf)為30%。由圖3看出,σf最大為355.5 MPa,τs在后處理80℃/8h達到最大37.8 MPa。采用真空加壓成型CYD128/DMP-30/S-玻璃纖維簾子布和CYD128/DMP-30/T700S-碳纖維簾子布復合材料,其Vf分別為60%,52%。圖4為CYD128/DMP-30/S-玻璃纖維簾子布復合材料不同后固化時間對σf和τs的影響曲線。圖5為CYD128/DMP-30/T700S-碳纖維簾子布復合材料不同后固化時間對σf和τs的影響曲線。

復合材料短梁剪切強度和其它力學性能均受到復合材料內空洞含量和分布的影響。復合材料空隙率越高,強度越低,越容易受到疲勞損傷。由圖4、圖5看出采用真空加壓成型得到的該體系復合材料力學性能優異。CYD128/DMP-30/S-玻璃纖維簾子布復合材料σf最高為954.8MPa,τs最高為55.9MPa。CYD128/DMP-30/T700S-碳纖維簾子布復合材料σf最高為1057.4MPa,τs最高為66.7 MPa。

4　結　論

(1)CYD128/DMP-30體系是一種次中溫固化體系,可在室溫下固化,中溫下后處理,具有優異的力學性能和耐熱性,可作為于低成本、高性能復合材料基體。

(2)CYD128/DMP-30體系最佳固化工藝為50℃/2h+80℃/10h,澆鑄體拉伸強度為66·3MPa,拉伸模量3·5GPa,彎曲強度156·7MPa,Tg為96℃。

(3)CYD128/DMP-30/S-玻璃纖維簾子布彎曲強度954·8MPa,短梁剪切強度55·9MPa; CYD128/DMP- 30/T700S -碳纖維簾子布彎曲強度1057·4MPa,短梁剪切強度66·7MPa。