玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的制备

院 系：航空航天工程学部

专 业：高分子材料与工程专业

指导教师：于祺

学生姓名：王娜

目录

第1章 概述

1.1 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的研究现状

1.2 本次试验的目的及方法

第2章 手糊法制备玻纤/环氧树脂复合材料

2.1实验原料

2.1.1环氧树脂

2.1.2玻璃纤维

2.1.3咪唑固化剂

2.1.4活性稀释剂

2.2手糊成型简介

2.4实验部分

2.4.1实验仪器

2.4.2实验步骤

第3章 力学性能测试

3.1剪切强度

3.2弯曲强度

3.3实验数据的分析

3.3.1 浸胶的用量及均匀度

3.3.2 固化时间与温度的影响

3.3.3 活性稀释剂的用量

第4章 结论与展望

4.1结论与展望

参考文献

第1章 概述

1.1 玻璃纤维增强环氧树脂复材的研究现状

EP/玻璃纤维(GF)复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。EP/GF复合材料具有质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺性好、加工成型简便、生产效率高等特点,并具有材料可设计性及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等特点,现已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法代替的重要材料。且复合材料的研究水平已成为一个国家或地区科技经济水平的标准之一。目前美，日，西欧的水平较高，北美，欧洲，日本的产量分别占33%，32%，30%。毋庸置疑，EP/玻璃纤维(GF)复合材料的质量轻，高强度等优于金属的特性，会在某些领域更广泛的使用，目前复材的粘接性能与力学性能成为主要的研究方面。目前主要的成型方法有手糊成型，缠绕成型，热压管成型，RTM成型，拉挤成型。

1.2 本次试验的目的及方法

实验由学生自行设计采用一种固化体系，用手糊成型方法制备EP/玻璃纤维(GF)复合材料，再测量材料的力学性能如，弯曲，剪切。目的在于

1，了解材料科学实验所涉及到的设备的基本使用。

2，掌握环氧树脂固化体系的配置及设计。

3，对手糊成型操作了解，及查找文献完成论文的能力。

就此要求我们第2组采用环氧树脂E-44，20cm×20cm的玻璃纤维布15张，用咪唑固化剂并加入稀释剂防止体系过粘。通过查阅相关文献，确定咪唑固化环氧树脂的最佳固化条件：60℃/2h+80℃/2h，制备了玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，之后将制备的样品进行力学性能测试，其层间剪切强度为5.750Mpa，弯曲强度为127.64Mpa。

第2章 手糊法制备玻纤/环氧树脂复合材料

2.1 实验原料

2.1.1环氧树脂

环氧树脂是含有两个或两个以上的环氧基，并在适当的试剂的作用下能够交联成网络结构的一类聚合物。它是一类具有良好粘接、耐腐蚀、电气绝缘、高强度等性能的热固性高分子合成材料。其中，双酚A缩水甘油醚型环氧树脂的原材料来源方便、成本低，所以在环氧树脂中它的应用最广，产量最大，约占环氧树脂总量的85%以上[9]。其化学结构如下：

从环氧树脂本身的结构分析，其主要特点如下：

（1）良好的加工性 未固化的环氧树脂本身分子间的内聚力小，分子有扩展的倾向，故树脂的流动性好，且易于和固化剂及其他材料如填充剂等混合，因此有良好的加工性。

（2）粘着性强 由于树脂中的脂肪族羟基、醚键和环氧基的存在，这些极性基能与含有金属、硅酸盐、活泼氢的材料表面产生较强的分子间作用力或发生反应产生化学键，因此环氧树脂的粘着性很强，有万能胶之称。

（3）可低压成型且收缩率小 环氧树脂通常在固化时没有低分子副产物产生，所以不会产生气泡，可以低压成型，而且收缩率小，它的热膨胀系数也很小（一般为6.0×10-5

℃-1），环氧树脂是热固性树脂中收缩率最小的一种，在100℃固化时收缩率为0.5%，在200℃固化时为2.3%。

（4）化学稳定性好 环氧树脂分子结构中无酚性羟基，又无酯键，所以其耐碱性比酚醛树脂和聚酯树脂要好，此外，在固化后的体形结构中有稳定的苯环和醚键，故耐酸性、耐溶剂性以及耐水性也很好，在室温下吸水率在0.5%以下。

（5）有较好的力学性能 环氧树脂固化以后，在交联点间有一定的距离，中间链除含苯环外还有两个醚键，具有一定的活动性，因而脆性较小，基本属于硬而强韧性的材料，所以具有较高的机械强度。另外与酚醛树脂、聚酯树脂比较，环氧树脂也具有较好的介电性能。

2.1.2 玻璃纤维布

玻璃纤维（英文原名为：glass fiber或fiberglass ）是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。玻璃纤维布是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的 1/20-1/5 ，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。我国生产的玻璃布，分为无碱和中碱两类，国外大多数是E-GLASS无碱玻璃布。玻璃布主要用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、各种车辆车体、贮罐、船艇、模具等。中碱玻璃布主要用于生产涂塑包装布，以及用于耐腐蚀场合。织物的特性由纤维性能、经纬密度、纱线结构和织纹所决定。经纬密度又由纱结构和织纹决定。经纬密加上纱结构，就决定了织物的物理性质，如重量、厚度和断裂强度等。有五种基本的织纹：平纹plan(类似方格布)、斜纹twill(一般+-45度)、缎纹statin(类似单向布)、罗纹leno(玻璃纤维网格布主要织法)和席纹matts(类似牛津布)。

其分类：

1、按成分：主要是中碱、无碱、高碱（是对玻璃纤维中碱金属氧化物的成分进行分类），当然也还有由其它成分进行的分类，但品种太多，不一一列举

2、按制造工艺：坩埚拉丝和池窑拉丝。

3、按品种：有合股纱、直接纱、喷射纱等。

另外，就是按单纤维直径、TEX数、捻度、浸润剂类型进行区分。

玻璃纤维布的分类与纤维纱的分类是相通的，除了上述以外，还包括：织法、克重、幅度等。

2.1.3 咪唑固化剂

常用的咪唑类环氧树脂固化剂包括咪唑, 2-甲基咪唑, 2-乙基-4-甲基咪唑, 2-苯基咪唑等,与一般的环氧树脂固化剂相比,它具有以下几个方面的优点:

(1) 用量少(一般为树脂用量的0. 5%～10% ),挥发性低,毒性小。

(2) 固化活性较高,中温条件下短时间即可固化。

(3) 固化物热变形温度高,有优异的耐化学介质性能、电绝缘性能力学性能。

(4) 除用作主固化剂外,还可作为助固化剂和固化促进剂,能够明显改善环氧树脂固化体系的性能。

咪唑类环氧树脂固化剂除上述优点外,还存在一些缺点和问题,具体表现在:

(1) 咪唑类化合物多为高熔点的结晶固体粉末,与液态的环氧树脂混合困难,工艺性能较差。

(2) 咪唑类固化剂在高温下有一定的挥发性和吸湿性。

(3) 品种较少,不能满足特殊的施工工艺以及对固化物的某些特定要求。

(4) 常用咪唑类固化剂由于固化活性较高,因此与环氧树脂混合后适用期较短,不能作为单组分体系较长时间贮存。

咪唑类的固化机理：咪唑类固化剂分子中存在1位仲胺氮原子和3位叔胺氮原子它对环氧树脂进行固化反应时一般认为咪唑环上的3位氮原子首先使环氧树脂上的环氧基开环，当1位氮原子上存在氢原子时，发生氢原子转移，然后1位氮原子在与环氧树脂反应，形成1:2加成产物；当1位氮原子上存在取代基时1位氮原子不与环氧树脂发生开环反应仅3位氮原子使环氧树脂中的环氧基开环形成1：1产物。最后环氧基开环产生的氧负离子继续催化环氧树脂开环聚合。

2.1.4 活性稀释剂

活性稀释剂按其每个分子所含反应性基团的多少，可以分为单官能团活性稀释剂和多官能团活性稀释剂。单官能团活性稀释剂每个分子中仅含一个可参与固化反应的基团，如甲基丙烯酸-β-羟乙酯(HEMA)。多官能团活性稀释剂是指每个分子中含有两个或两个以上可参与固化反应基团的活性稀释剂，如1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)。采用含较多官能团的单体，除了增加反应活性外，还能赋予固化膜交联结构。这是因为，单官能团单体聚合后只能得到线形聚合物，而多官能团的单体可得到高交联度网络。

2.2手糊成型简介

手糊成型是指用手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，使树脂固化后形成复合材料的一种成型方法。

手糊成型工艺包括[7]：

（一）原材料的准备：

（1）玻璃纤维织物的准备

注意事项：

1）玻璃布的经纬向强度不同，对要求正交各项同性的制品，则应将玻璃布经纬向交替铺覆。

2）裁剪玻璃布的大小，应根据制品尺寸、性能要求和操作难易来确定。玻璃布越大制品强度越高，因此裁剪玻璃布时应尽可能裁剪得大些。

（2）树脂胶液的配制 是将树脂、固化剂或引发剂、促进剂、填料和助剂等混合均匀，常温固化的树脂具有很短的适用期，必须在凝胶以前用完。树脂胶液配制的关键是凝胶时间和固化程度的控制。凝胶时间是指在一定温度下树脂、引发剂、促进剂混合以后到凝胶所需要的时间。手糊成型工艺要求树脂在成型操作完成以后的一段时间内凝胶，使树脂能充分浸透增强材料。

（二）模具的准备及脱模剂的涂刷

（1）模具的准备

玻璃钢模具的准备方法如下:

2）新模具要对照图样组装，核对模具的形状、尺寸及脱模斜度。

3）如果是使用过的模具，则要检查模具的破损情况，如有破损要进行修补，如果发现模具表面粗糙，则应按下列顺序仔细地加以修整：①用从粗到细的水砂纸加水打磨；②用抛光膏或抛光水抛光；③上抛光蜡。

3）保管模具时要盖好聚乙烯薄膜，防止粉尘、油污、水汽等粘附模具。

（2）涂刷脱模剂 石蜡类脱模剂的涂刷方法如下：①清除模具表面的水分、灰尘、污垢，充分干燥模具；②将石蜡脱模剂在模具表面按一定方向、一定顺序轻轻地擦拭，模具的凸部、棱角要特别注意涂均匀；③待干燥后用软布擦亮；④大部分石蜡类脱模剂都含有挥发性物质，所以重复涂刷时，中间应有一定的时间间隔，待上次所涂刷涂膜剂中的挥发物完全挥发掉再涂下一次。

（三）胶衣层的准备

为了改善树脂固化中收缩带来的表面质量问题，并延长其使用寿命，在制品表面往往做一层树脂含量较高、性能较好的层面，它可以是纯树脂层，也可用表面毡增强，通常称为胶衣层。其厚度一般约为0.25-0.5㎜，根据不同的性能要求，选用不同的胶衣树脂。

（四）复合材料制品的糊制及固化

（五）脱模、修整及装配

2.4实验部分

2.4.1实验仪器设备

表2-2 实验用主要仪器设备 设备名称 电子精密天平 电热鼓风干燥箱 微电子拉力机

型号 JM-BL-1003 DHG-9075A RG3050 生产单位 余姚市纪铭称重校验设备有限公司 上海-恒科学仪器有限公司 —— 2.4.2实验原料及步骤

原料：根据上述原料的性质及实验要求我们取环氧树脂E-44 100g，活性稀释剂30g，咪唑类固化剂用量0.3%取3.9g。20cm×20cm的玻璃纤维布15张。固化条件：60℃/2h+80℃/2h。

实验步骤：

（1）实验前的准备

将实验中所需的材料放在实验台上，将模具与树脂的接触面用脱模剂涂上薄薄的一层，用剪子按照模具的尺寸剪出15块20cm×20cm玻璃纤维布，待用。

（2）样品的称量

将塑料杯放在精密天平上去皮后倒入E-44环氧树脂称取100g，将称取好的环氧树脂杯去皮后再称取30g稀释剂，将称好的体系再去皮后称3.9g咪唑。

（3）搅拌

将称好的固化环氧树脂体系用玻璃棒搅拌，直至药品均匀，充分混合为止。

（4）糊制及固化

将裁剪好的一片玻璃纤维布放在脱模布上，用刷子蘸取搅拌后的适量的环氧树脂放在纤维布上，用刷子或硬纸板将树脂与纤维充分浸胶，涂抹均匀后再放一层纤维布，重复操作，直到铺完15层纤维布。将另一块脱模布放在上面，最后将其放在模具上，并在模具上放一块板将其压实，放在烘箱中固化。先将温度调为60℃固化2h，再将温度调为80℃固化2h。

（5）脱模及修整

将固化好的制品从烘箱中取出，将制品从模具总取下来。对制品进行裁剪、打磨、修整，得到接近目标尺寸b10mm,h3mm,L80mm的弯曲样条3根。b6mm,h3mm,L40mm剪切样条6根。

第3章 力学性能测试

3.1剪切强度

我们将6根试样分别进行测试，根据剪切强度公式得数据如下：

其中

————短梁层间减切强度，MPa;

P————试样破坏时的最大载荷，N；

b————试样宽度，mm；

h————试样厚度，mm； 试样平均宽度试样平均高度 b (mm) 1 6.00 2 5.70 3 6.00 4 6.00 5 6.13 h (mm) 2.92 2.86 2.95 2.98 2.98 剪切强试样所能承受的最大力p（N） 142.2 137.6 128.35 131.8 124.9 度 平均剪切强度 （MPa） （MPa） 6.12 6.24 5.53 5.68 5.09 5.75 6 5.57

3.00 125.45 5.82 3.2弯曲强度

我们将3根弯曲样条分别进行测试，根据弯曲强度计算公式得以下数据：

————弯曲强度,MPa;

P————最大载荷，N;

L————跨距，mm; L=16h

b————试样宽度，mm;

h————试样厚度，mm; 弯曲强试样宽度 b(mm) 1 10.00 2 9.90 3 9.97

试样厚度h(mm) 2.90 3.00 3.00 最大载荷p(N) 142.85 153.80 169.95 跨距L(mm) 48 48 48 度 (MPa) 122.29 124.28 127.64 136.37 平均弯曲强度（MPa） 3.3实验数据的分析

测试后得剪切强度为5.75MPa,弯曲强度为127.64MPa,对比其他组结果发现本组强度偏低。暂且找到一组数据相仿的组的样品作对比进行分析。 剪切强度 弯曲强度 环氧量 固化剂 固化剂用量 活性稀释剂用量 固化时间 MPa MPa 30g 60℃/2h+ 5.75 80℃/2h 70℃/1h+ 7.618 100℃/2h 127.64 本组 100g 咪唑 3.9g 参考组 100g 咪唑 3.6g 20g 140.172 从实验数据对比及样品外观形貌可分析出影响玻纤环氧树脂复材的力学性能的因素主要是以下三点。

3.3.1 浸胶的用量及均匀度

从固化后的样品外观发现颜色深浅不一，从测试上发现同块树脂板材料的试样受力不均匀判断是手糊成型时树脂涂抹不均匀所致。

3.3.2 活性稀释剂的用量

多加了活性稀释剂但稀释剂是参与反应的，没有相应增加适量的咪唑，导致固化不完全

3.3.3 。固化时间与温度的影响

对咪唑的描述是常温下可固化且反应迅速，所以在温度上采用了最低值，但因活性稀释剂放的多的原因导致应固化温度及时间都增长，但操作中给的低所以固化不完全。

第4章 结论与展望

结论：

本文主要是研究环氧树脂基体的玻璃纤维增强的配方设计和性能测试以及手糊成型工艺参数：通过查阅相关文献定出环氧树脂体系的配方，并选用咪唑为其固化剂，添加稀释剂来降低其粘度。通过文献查阅，确定环氧树脂的最佳固化参数，并对树脂进行性能测试。通过实验，得出以下结论：

（1）玻璃纤维/环氧树脂复合材料的配方为E—44环氧树脂，固化剂为咪唑，增强体短切玻璃纤维布，稀释剂。

（2）通过查阅文献，定出最佳固化工艺参数：60℃/2h+80℃/2h+100℃/2h。

（3）玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能得到极大的提高，其层间剪切强度为7.618MPa，弯曲强度为140.172MPa。

展望：

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的研究和应用随着高新技术的发展而日益深入。其结构和性能的可设计性不断推动着新材料的问世和性能的改善，其应用的领域也越来越广泛。目前研究的重点主要在控制纤维在集体中的分布，界面与界面相，多功能及智能化，在其轻质又有高强度的优点下未来会在航空，建筑，电子等领域有更深入的应用，其前景一定越来越好。

参考文献

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