发泡剂含量对双马来酰亚胺泡沫泡孔结构和性能的影响.pdf

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发泡剂含量对双马来酰亚胺泡沫泡孔结构和性能的影响1 发泡剂含量对双马来酰亚胺泡沫泡孔结构和性能的影响2 发泡剂含量对双马来酰亚胺泡沫泡孔结构和性能的影响3 发泡剂含量对双马来酰亚胺泡沫泡孔结构和性能的影响4 发泡剂含量对双马来酰亚胺泡沫泡孔结构和性能的影响5
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第44卷2016年5月第5期—第4246页材料工程JournalofMaterialsEngineeringVO1.44Mav2016NO.5—PP.4246发泡剂含量对双马来酰亚胺泡沫泡孔结构和性能的影响EffectofFoamingAgentConcentrationonBubbleStructureandPropertiesofBismaleimideFoam刘晓丽,鹿海军。,邢丽英(1中航复合材料有限责任公司,北京101300;2中航复合材料技术中心,北京101300)———’IIUXiaoli~,LUHaiiun~,XINGLiying(1AVICCompositeCorporationLtd,Beiiing101300,China;2AVICCompositesCenter,Beiiing101300,China)摘要:以偶氮二甲酰胺(AC)为发泡剂,采用预聚、发泡的两步法制备双马来酰亚胺泡沫,研究AC含量对泡沫泡孔结构、密度、尺寸稳定性温度和压缩性能的影响。结果表明:可通过发泡剂用量的改变实现泡沫密度在6O~280kg/m。范围内调整,发泡剂用量对泡孔尺寸及其均匀性影响较小。随发泡剂用量降低,尺寸稳定性温度和压缩性能提高,当泡沫密度为280kg/m。时,尺寸稳定性温度可达220 ̄C,压缩强度和模量分别为4.8MPa和200MPa,满足结构泡沫的耐温性能和力学性能要求。关键词:发泡剂含量;双马来酰亚胺泡沫;泡孔结构;尺寸稳定性温度;压缩性能doi:10.11868/j.issn.10014381.2016.05.007中图分类号:TB383文献标识码:A—文章编号:10014381(2016)05004205Abstract:Bismaleimidefoamusingazodicarbonamide(AC)asthefoamingagentwaspreparedthrough—prepolymerizationandfoaming.TheinfluenceofAConbubblestructure,density,hightemperaturedimensionalstabilitytemperature(HDT)aswellascompressivepropertiesofthebismaleimide(BMI)foamwasinvestigated.Theresultsshowthatfoamdensitycouldbeadjustedfrom60kg/m。to280kg/m。bycontentofAC,meanwhile,ACdosagehaslittleinfluenceoncel1sizeanditsdistribution.AsthecontentofACdecreases,theHDTandcompressivestrengthincrease.Whenthefoamdensityis280kg/m3,theHDTis—22o ̄C,compressivestrengthandmodulusare4.8MPaand200MParespectively,meetingtherequire—mentsofthehightemperatureandmechanicalpropertiesofstructuralfoams.Keywords:contentofAC;bismaleimidefoam;bubblestructure;dimensionalstabilitytemperature;compressiveproperty泡沫材料是一类理想的轻质结构材料,在航空航天领域扮演着越来越重要的角色。随着航空航天等特殊领域对泡沫材料性能要求的不断提高,传统的聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等泡沫材料已不能满足这些领域对材料强度、刚度及耐热性的特殊要求。目前国外已将高性能泡沫塑料作为承载的结构材料应用在航空、航天、交通运输等领域,如卫星太阳能电池的骨架、火箭前端的整流罩、无人飞机的垂直尾翼和巡航导弹的弹体弹翼、舰艇的大型雷达罩等nJ。双马来酰亚胺树脂结构泡沫耐高温性能突出,水蒸气渗透性低,在耐高温结构功能泡沫材料领域具有广泛的应用前景;但由于双马树脂的高脆性、高熔点和苛刻的成型工艺性能,使得双马树脂的发泡相对困难,很难同时满足低密度和高耐热性的要求。谢小琴等]用烯丙基双酚A改性双马来酰亚胺发泡,得到孑L径均匀且介电性能较高的泡沫材料,泡沫密度为460~780kg/m。。黄志雄等用羧基丁腈橡胶(CTBN)增韧改性双马来酰亚胺发泡,泡沫密度为6O~200kg/m。,但CTBN的加入不可避免地降低了材料的力学性能和耐热性能。发泡剂用量是影响泡沫性能的重要因素之一…_6]。本工作采用化学发泡法将发泡剂分散于双马来酰亚胺树脂体系中,通过预聚、发泡的两步法制备得到双马来酰亚胺结构泡沫,其泡孔均匀细密且为闭44材料工程2016年5月图2为发泡剂含量对泡沫密度和泡孔壁厚的影响,可知当发泡剂AC含量为1时,泡沫密度为280kg/m。,当AC含量增至7时泡沫密度降至低点,为60kg/m;因此,可通过发泡剂用量使泡沫密度在60 ̄280kg/m。较宽范围内调整。随着发泡剂含量提高,泡沫密度和壁厚线性下降,这是因为体系中产生的气体含量与发泡剂用量直接相关,增加AC含量,气泡数目增加,泡沫增长动力提高,更多的树脂被气泡填充,故而泡沫密度和壁厚线性下降;但当发泡剂用量超过7时泡沫密度和壁厚反而增加,这是因为过量的发泡剂产生更多的气泡,气泡间相互合并,导致泡孔破裂,气体逸出,反而使密度增加。MaSSfractionofAC/%图2发泡剂用量对泡沫密度和泡孔壁厚的影响Fig.2Effectoffoamingagentdosageonbubbledensityandthicknessofcell图3为发泡剂含量对泡孔直径的影响,可知随发泡剂含量的提高,泡沫孔径略有增大。这是因为:一方面,发泡剂含量增加,气泡数目增加,泡沫增长动力提高,故而泡孔直径增大;另一方面,泡孔尺寸主要受基体黏度控制,黏度增大,泡沫成型增长的阻力增加,孔径减小,而AC含量的变化并不会影响基体的黏度或者影响较小,即泡沫增长的环境基本一致,所以孔径略有增加,但总体变化较小。E∈卫2∞E.受a)OO12345678910MassfractionofAC,%图3发泡剂含量对泡孔直径的影响Fig.3Effectoffoamingagentdosageonbubblediameter2.2发泡剂用量对耐热性能的影响发泡剂用量对泡沫尺寸稳定性温度的影响如图4所示,可以看出,当发泡剂用量为1时,泡沫尺寸稳℃定性温度为220,随着发泡剂用量的增加,尺寸稳定℃性温度下降,当发泡剂用量为7时,下降至17O。这是因为发泡剂用量增加,体系中产生的气体分子较多,气体的溶入相当于增塑剂,改变了分子链之问的缠结状态,使分子更易活动,故而尺寸稳定性温度降低。但总体来讲,双马来酰亚胺泡沫的尺寸稳定性温度较高,具有较好的耐热性能,可以满足耐温泡沫的需求。五焉一3。口图4发泡剂含量对泡沫尺寸稳定性温度的影响Fig.4Effectoffoamingagentdosageondimensionalstabilitytemperature2.3发泡剂用量对压缩性能的影响发泡剂用量对泡沫压缩性能的影响如图5所示,可知发泡剂用量为l时,泡沫密度为280kg/m。,压缩强度和模量分别为4.8MPa和200MPa,满足结构泡沫力学性能要求。随着发泡剂用量的增加,压缩强度与压缩模量均减小,这是因为随着AC含量的增加,泡沫材料的密度逐渐降低,随着密度的减小,体系中基体树脂体积分数减小,泡孔壁厚逐渐变薄,受力截面上基体树脂所占面积减小,从而使泡沫材料抵抗变形和破坏的能力减弱,故而压缩强度和模量降低。图5发泡剂用量对泡沫压缩强度和模量的影响Fig.5Effectoffoamingagentdosageoncompressivestrengthandmodulus第44卷第5期发泡剂含量对双马来酰亚胺泡沫泡孔结构和性能的影响45双马来酰亚胺结构泡沫的压缩应力一应变曲线如图6所示,整个变形过程可划分为弹性变形区与屈服平台区卜]。随泡沫密度增加,屈服强度线性增加,但屈服点的应变基本不变,约为0.05,说明双马来酰亚胺泡沫具有较好的韧性。弹性区主要反映了泡沫的弹性性能和胞体的强度特性,该阶段的线弹性主要是由泡壁的弯曲或延伸和泡棱的弯曲、拉伸或者收缩引起,除去应力,应变可恢复,不留下任何永久变形。越ca=∞c,)图6不同发泡剂用量泡沫的压缩应力一应变曲线—Fig.6Effectoffoamingagentdosageonstressstraincurveoffoam3结论过弹性区后,大部分胞体失稳,材料进入屈服区,屈服区主要反映了胞体被压碎的过程。随着材料密度的增大,其模量及强度大幅度上升,这是因为材料密度增大后,基体的体积分数增大,胞体壁厚增加,因而材料抵抗变形和破坏的能力也相应增强口。随发泡剂用量的增加,泡沫的应力一应变曲线中,平台区变长,屈服点更加不明显,即泡沫显示为脆性断裂。这是因为密度降低,更多的树脂被气泡填充,孔壁减薄,显示为脆性断裂。泡沫材料的压缩强度和模量与密度的关系,与式(3),(4)所示的幂定律具有较好的吻合关系。一Ap(3)—EB0(4)式中:E为压缩模量;为压缩强度;p为泡沫密度;A,B是与树脂物理性能相关的常数;和P分别是泡孔结构和变形机理相关的密度指数。将上述实验数据代入公式,计算出双马来酰亚胺泡沫的模量和强度相关的指数值,n==:2,P一2.2,得出A一83.5,B一3261。由此拟合出不同密度泡沫材料的压缩强度和模量,如图7所示。图7不同密度泡沫材料的压缩强度(a)与模量(b)拟合曲线Fig.7Fittingcurvesoffoamcompressivestrength(a)andmodulus(b)(1)随发泡剂AC用量的增加,泡孔尺寸略有增大,泡沫密度和泡沫壁厚线性减小;但AC用量超过7时,密度和泡沫壁厚反而增大。可通过发泡剂用量使泡沫密度在60 ̄280kg/m。较宽范围内调整。(2)双马来酰亚胺泡沫的尺寸稳定性温度较高,具有较好的耐热性能,可以满足耐温泡沫的需求。尺寸稳定性温度受泡沫密度影响较大,泡沫密度为280kg/℃m。时,尺寸稳定性温度可达220,泡沫密度减小至℃60kg/m。时,尺寸稳定性温度降至170。(3)泡沫密度为280kg/m。时,压缩强度和模量分别为4.8MPa和200MPa,随泡沫密度下降,压缩强度和模量线性下降。压缩应力一应变曲线有明显的峰值应力和屈服平台区,说明该泡沫材料具有较好的韧性。压缩强度、模量分别与公式一83.5p和E一3261p。。有较好的匹配性。参考文献[1]刘琴,李胜,龚浏澄.结构泡沫塑料的开发与应用EJ].塑料科—技,2009,37(8):5055.——LIUQin,LISheng,GONGLiucheng.Developmentandapplica—tionofstructuralfoamplastic[J].PlasticsScienceandTechnolo—gY,2009,37(8):5055.E2]ZHOUCC,WANGP,LIW.FabricationoffunctionallygradedporouspolymerviasupercriticalCOzfoaming[J].Composites—PartB:Engineering,2011,42(2):318325.[3]艾涛,张海师,吴锋,等.双马来酰亚胺树脂基复合材料研究进展m,snloE9JQEoo87654321O∞∞∞甚caJlsclEoo46材料工程2Ol6年5月—[J].中国胶黏剂,2014,23(5):290296.—AITao,ZHANGHalshi,WUFeng,eta1.Researchprogresses—ofbismaleimideresincomposites[J].ChinaAdhesives,2014,23—(5):290296.E43谢小琴,顾嫒娟,袁莉,等.改性双马来酰亚胺泡沫塑料的成型工—艺研究[J].工程塑料应用,2008,36(10):5155.——X1EXiaoqin,GUAijuan,YUANLi,eta1.Studyonfoamingprocessofmodifiedbismaleimidefoam[J].EngineeringPlastics—Application,2008,36(10):5155.[5]黄志雄,梅启林,周祖福.增韧双马来酰亚胺泡沫体的研究[J].武—汉理工大学学报,2001,23(4):57.————HUANGZhixiong,MEIQilin,ZHOUZufu.Studyontoughenedbismaleimidefoam[J].JournalofWuhanUniversityof—Technology,2001,23(4):57.[6]许曙光,谢睿,贾智涵,等.发泡剂用量对三聚氰胺泡沫塑料的性能影响分析[J].山西化工,2015,(3):1315.——XUShuguang,XIERui,JIAZhihan,eta1.Impactanalysisofthedosageoffoamingagentonperformanceofthemelaminefoam—厂J].ShanxiChemicalIndustry,2015,(3):1315.—[7]CAIXD,WANGJJ,LIANGGH,eta1.ElfectofNaNO3foamingagentonbariumferritehollowmicrospherespreparedby——selfreactivequenchingtechnology[J].JournalofAlloysandCorn—pounds,2015,636:348356.[8]ZAwRAHMF,KHATTABRM,GIRGISIG,eta1.EffectofCTABasfoamingagentonthepropertiesofaluminaceramic—membranes[J].CeramicsInternational,2014,40(4):52995305.[9]WANGIJ,YANGX,JIANGTH,eta1.Cellmorphology,—bubblesmigration,andflexuralpropertiesofnonuniformepoxy—foamsusingchemicalfoamingagent 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