低黏度高強度環氧樹脂澆注料的制備和性能

姜 磊，李 凌，周先當，王 巍，李 航，李勝華

(襄陽三沃航天薄膜材料有限公司，湖北 襄陽 441003)

近年來，環氧基復合材料因其優異的性能在航空航天、船舶、能源、汽車等領域發展迅速[1-3]。為了保證復合材料的性能，樹脂和纖維必須完美融合，因此要求樹脂黏度低，能完全浸潤纖維[4]。通行的RTM模塑工藝可以通過模具加熱降低樹脂的黏度來進行復合材料成型，但是此工藝不適用于大型船體復合材料的制造。在室溫條件下，樹脂黏度足夠低才能滿足船艦等大型腔體所需復合材料的澆注工藝要求，并且在后固化成型之后具有高強度力學性能和優異的耐水性能[5-7]。

作者以低黏度環氧樹脂PR為主劑、改性脂肪胺為固化劑，制備低黏度高強度的新型環氧樹脂澆注料，考察固化劑種類及固化劑用量(以環氧樹脂PR計)對環氧樹脂澆注料性能的影響，并研究澆注料的力學性能。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

低黏度環氧樹脂PR、改性脂肪胺固化劑，自制；三乙烯四胺(TETA)、異氟爾酮二胺(IPDA)、低分子聚酰胺651，市售。

NDJ-8S型旋轉黏度計，上海精天電子儀器有限公司；CMT-6503型萬能電子拉力機，深圳新三思試驗設備公司；恒溫水浴鍋，上海簡戶儀器設備有限公司。

1.2 環氧樹脂澆注料的制備

將自制環氧樹脂PR和改性脂肪胺固化劑按一定比例充分混合，注入模具中，真空除泡，常溫固化5 d，85 ℃固化3 h，得到環氧樹脂澆注料。

1.3 力學性能測試

(1)黏度：按照GB/T 2794-2013測試。

(2)拉伸強度、彎曲強度：按照GB/T 2567-2008測試。

(3)水煮力學性能保留率：將環氧樹脂澆注料放入沸水中煮2 h后，按照GB/T 2567-2008測試拉伸強度和彎曲強度，對比水煮前的力學性能，計算水煮力學性能保留率。

2 結果與討論

2.1 固化劑種類對環氧樹脂澆注料性能的影響

選擇幾種常用的室溫環氧固化劑以及自制的改性脂肪胺固化劑，考察固化劑種類對環氧樹脂澆注料性能的影響，結果見表1。

表1 固化劑種類對環氧樹脂澆注料性能的影響

由表1可知，采用自制的改性脂肪胺固化劑固化的環氧樹脂澆注料的拉伸強度和彎曲強度最高。

2.2 固化劑用量對環氧樹脂澆注料性能的影響(圖1)

圖1 固化劑用量對環氧樹脂澆注料性能的影響Fig.1 Effect of curing agent amount on properties of epoxy resin casting materials

由圖1可知，當固化劑用量為環氧樹脂PR用量的20%時，環氧樹脂澆注料的拉伸強度和彎曲強度最高。

2.3 環氧樹脂澆注料的黏度與適用期

采用旋轉黏度計測定環氧樹脂澆注料黏度隨時間的變化，結果如圖2所示。

圖2 環氧樹脂澆注料黏度隨時間的變化Fig.2 Change of viscosity of epoxy resin casting materials with time

由圖2可知，環氧樹脂澆注料在70 min內黏度保持在290 mPa·s，基本無變化；70～90 min時黏度先減小再增大，80 min時黏度最小，表明處于反應最初期，放熱引起黏度減小，隨后分子鏈增長導致黏度增大；90 min后黏度迅速增大。因此，環氧樹脂澆注料的適用期為80 min。

2.4 環氧樹脂澆注料的DSC分析(圖3)

圖3 環氧樹脂澆注料的DSC分析Fig.3 DSC analysis of epoxy resin casting materials

玻璃化轉變是非晶態高分子材料的固有性質，是高彈態和玻璃態之間的轉變。從分子結構上講，玻璃化轉變溫度(Tg)是高聚物無定形部分高分子鏈段從凍結狀態到解凍狀態的一種馳豫現象，溫度低于Tg時，高聚物處于玻璃態，分子鏈和鏈段都不能運動，只是構成分子的原子或基團在其平衡位置振動；在Tg時，分子鏈雖不能移動，但是鏈段開始運動，表現出高彈性質；溫度高于Tg時，整個分子鏈運動而表現出黏流性質。由圖3可知，環氧樹脂澆注料的Tg為125 ℃，表明其耐熱性不低于傳統的雙酚A型環氧樹脂。

2.5 環氧樹脂澆注料的力學性能(表2)

表2 環氧樹脂澆注料的力學性能

由表2可知，所制備的環氧樹脂澆注料的拉伸強度高于85 MPa，彎曲強度高于120 MPa，具有優異的力學性能；水煮力學性能保留率大于95%，表明其具有優異的耐水性能。

3 結論

(1)所制備的環氧樹脂澆注料的黏度為290 mPa·s、適用期為80 min，適用于環氧基復合材料的澆注制造。

(2)所制備的環氧樹脂澆注料的Tg為125 ℃，其耐熱性不低于傳統的雙酚A型環氧樹脂，具有較好的耐熱性。

(3)所制備的環氧樹脂澆注料的拉伸強度高于85 MPa，彎曲強度高于120 MPa，具有優異的力學性能。

(4)所制備的環氧樹脂澆注料的水煮力學性能保留率大于95%，具有優異的耐水性能。