酚醛型环氧树脂改性氰酸酯共聚物固化反应动力学研究.pdf

  • 文档大小:279.93 KB
  • 文档格式:pdf
  • 约 4页
  • 2022-04-07 发布
  • 举报
酚醛型环氧树脂改性氰酸酯共聚物固化反应动力学研究1 酚醛型环氧树脂改性氰酸酯共聚物固化反应动力学研究2 酚醛型环氧树脂改性氰酸酯共聚物固化反应动力学研究3 酚醛型环氧树脂改性氰酸酯共聚物固化反应动力学研究4
已阅读完毕,您还可以下载文档进行保存
文档单价:1.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档
  1. 1、本文档共4页,内容下载后可编辑。
  2. 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领。
  3. 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
 酚醛型环氧树脂改性氰酸酯共聚物固化反应动力学研究 2010年9月  酚醛型环氧树脂改性氰酸酯共聚物固化反应动力学研究     欧秋仁,嵇培军,周勇,赵亮    (1航天特种材料及工艺技术研究所,北京100074)  — 摘要:采用差示扫描量热法(DSC)对酚醛型环氧树脂改性双酚A型氰酸酯树脂的固化反应动力学进行了研究,用Kissin  ger方程计算出树脂的表观活化能,其计算值为6O.811(J/tool,用Crane定理求得反应级数为0.8846。用外推法求得树脂体系    ℃    ℃    ℃      的起始固化温度为120.O0,峰顶固化温度为176.67,终止固化温度为226.67。由树脂的DSC和流变分析得到了合理的 固化工艺,玻璃纤维织物/改性氰酸酯复合材料具有良好的力学性能。  关键词:双酚A型氰酸酯树脂;酚醛型环氧树脂;固化反应动力学;流变;力学性能 中图分类号:TQ323   — 文献标识码:A文章编号:10030999(2010)05一o020一o4     1引言  氰酸酯树脂(CE)是近年来快速发展起来的一    种新型热固性树脂,具有良好的介电性能和力学性    能、低的吸湿率和高耐热性,可广泛应用于航空、航  天、电子等领域。但氰酸酯单体容易结晶、固化反应     温度高、转化率低、脆性大,因此通常需用其它热固   性树脂、热塑性树脂、橡胶以及双键化合物对其进行  共混或共聚改性以提高其综合性能,满足航空航天               产品对材料耐热性、耐湿热性及电磁性能发展  需求一引。   近年来,国外对氰酸酯及其复合材料的报道较      多_916],BASF公司利用氰酸酯的优异的介电性能       将BASF2555氰酸酯用于高性能透波材料;Hexcel  公司利用氰酸酯的高玻璃化转变温度、高尺寸稳定   性和低放气性的优点研制了954-3、954-3A和954-6   氰酸酯树脂,用于航空航天主承力和次承力结构;国  内对氰酸酯的研究主要是利用环氧树脂对其进行增   韧改性和降低成本,但其环氧树脂添加量一般少于      10%,对于氰酸酯的低成本工程化应用意义有限。   在获得较好性能的前提下,增加环氧树脂的添加量  (>30%),对氰酸酯材料的低成本工程化应用具有 重要意义。   在氰酸酯的固化过程中,因固化反应特征不同    而导致的结构变化对材料的力学性能影响很大,因    此,研究氰酸酯树脂固化反应动力学具有重要的意    义。目前,国内外学者对双酚A型氰酸酯(BADCy)    固化特性的一系列研究_l7表明:纯的芳香氰酸酯 —  在180250 ̄C氰酸酯单体生成三嗪环结构反应速      度很慢,在200 ̄C下固化转化率达到90%时需7h。   环氧树脂可以促进氰酸酯固化,E.5l和R.122混合  环氧树脂改性氰酸酯的固化反应动力学研究表明环  ℃   氧树脂可以促进氰酸酯固化,且l77实现比较完    全固化。本文采用DSC分析法研究了酚醛型环氧     树脂改性双酚A型氰酸酯(简称改性氰酸酯,氰酸  酯与分权型环氧树脂重量比为4:3)的固化反应动   力学,求解了固化反应动力学参数,并结合树脂的粘 度特性曲线确定了改性氰酸酯树脂复合材料的固化   工艺,对玻璃纤维织物增强改性氰酸酯树脂复合材 料的力学性能测试表明改性氰酸酯复合材料具有较 好的力学性能。  2实验部分   2.1原材料    JF-45树脂为酚醛型环氧树脂,无锡树脂厂;双       酚A型氰酸酯,江都市吴桥树脂厂;催化剂,自制;  EW220与sw220玻璃布,中材科技南京玻璃纤维研 究院。  2.2共聚树脂的制备   将一定量的双酚A型氰酸酯树脂与催化剂加    ℃    入三口烧瓶中,于125预聚2h,按照双酚A型氰      酸酯树脂和JF-45树脂质量比4:3加入JF-45树  ℃  脂,在110反应1h,制得棕红色改性氰酸酯树脂。   2.3实验仪器及测试方法 差示扫描量热仪(DSC),瑞士梅特勒一托利多公  司DSC822e。  — 收稿日期:2009-1214  本文作者还有曹辉。’     作者简介:欧秋仁(1983一),在读硕士研究生,主要从事复合材料和高性能树脂的研究。   : ̄P/CM201o.lio.5 2010年第5期       玻璃钢/复合材料 21  旋转粘度计,美国博力飞一DV-II。 — DSC测试:N保护气氛,测试温度范围为25  350012,升温速率分别为5 ̄C/rain、10 ̄C/min和15 ̄C/ mino   动态粘度测试:按粘度计加热装置程序设定升    温曲线,到达测试温度点后保温2min读数,测试温  度范围为40~180oC。       等温粘度测试:分别在110 ̄C、ll5cI=、120 ̄C、℃ ℃    l25和130温度下测取不同时间内树脂的粘度 变化。 力学性能测试按照复合材料力学性能测试相关  标准进行。  3结果与分析   3.1改性氰酸酯固化反应分析      改性氰酸酯树脂的DSC曲线如图1所示。改    性氰酸酯树脂的固化呈现2个峰,第1个放热峰较  小,由氰酸酯与酚醛型环氧树脂聚合反应放热引起, 第2个放热峰为氰酸酯自聚形成三嗪环产生的放热  —  峰。第1个放热峰位置在190220oC左右,第2个     放热峰位置在240~270 ̄C,随着升温速率的增加, 放热峰向高温方向移动,这是由于在较高的升温速 率下,体系在较低温度下还没来得及反应温度就已 经上升到较高温度,树脂在较高温度下反应放出大   量的热,热量的积累使放热峰与基线所围面积增大, 放热峰向高温方向移动。’     图1改性氰酸酯树脂体系DSC曲线   3.2改性氰酸酯树脂的固化反应动力学参数 为了进一步了解改性氰酸酯树脂体系固化反应 特征,需用树脂体系的第一个放热峰进行固化反应    动力学参数分析。根据Kissinger方程(式1)和   Crane方程(式2)可对上述数据进行处理,从而确定  反应表观活化能和反应级数。 1/   一R (1) d( )  d1/ :一  (nR峨) (2)    ()一I~Ip/             其中,为升温速率,K/min;Tp为各升温速  率下的峰顶温度,K~;E。为表观活化能,J/mol;R         为气体摩尔常数,8.314J/(mol・K);n为反应  级数 -    图2改性氰酸酯的ln( )-1/Tp关系  将1n(    )对1/作图见图2,对试验结果进— 行线性拟合,其直线方程为,,=5.117314.49x。结     合Kissinger方程可得E/R=7314.49,从而可求得           改性氰酸酯树脂体系固化反应表观活化能E= 60.81kJ/mol。       当E/nR>时,Crane方程可简化为:一   望一 ,     d(1/)一R 、             利用In#一l/关系(见图3)并将E= 60.81kJ/tool代人(3)式,求得改性氰酸酯树脂反应   级数n=0.8846,由反应级数可看出,改性氰酸酯树  脂的固化反应过程是一个接近于1级的化学反应。   图3改性氰酸酯树脂的lnfl-1/Tp关系    FRi2o地No.5 22 酚醛型环氧树脂改性氰酸酯共聚物固化反应动力学研究 2010年9月   3.3改性氰酸酯树脂的固化工艺      由改性氰酸酯DSC曲线(图1)可看出,不同升     温速率下,树脂的起始固化温度,峰顶固化温度     和终止固化温度各不相同(见表1),为了得到        树脂的固化工艺,将不同升温速率下的、和  对作图,见图4,用外推法可得到树脂在升温速率         卢=0时树脂固化反应的、和。由图4可知,3         条直线与Y轴的截距分别为393.15、449.82和     499.82,因此,改性氰酸酯固化反应升温速率JB=0            时树脂固化反应的、和分别为120.O0 ̄C,℃   176.67和226.67oC。       图4、和与升温速率关系曲线        表1不同升温速率卢下的、和   图5和图6所示为改性氰酸酯树脂在不同温度 下粘度随时间的变化关系。  图5共聚物的动态粘度特性曲线   从图5可以看出,树脂粘度随着温度上升先迅 速下降,随后出现一个粘度平台,当到达某一临界温   度粘度急剧上升。这是由于在加热初期,温度升高    FRP/CM2010NO:5  图6共聚物的等温粘度特性曲线  使聚合物分子链段柔性增加,宏观上表现为随温度 ℃  的升高粘度迅速下降;当温度升高至80时,链段    运动几乎到达最大程度,而交联反应尚未开始,对应   于动态粘度特性曲线上的平台期;随着温度的进一    步升高,当温度大于160oC,开始形成交联网络,限   制和降低了链段的运动,树脂体系粘度开始增加。   由图6可知,在不同温度下,树脂粘度随时间延  长先缓慢上升,当到达一定时间后粘度值出现拐点,  粘度迅速上升,表明树脂体系开始发生交联,使树脂    粘度急速增大,凝胶时间随着温度的升高而变短。     因此,综合考虑树脂的DSC和粘度变化曲线可以制           ℃ 定改性氰酸酯树脂固化工艺为:130/40min+℃ 177oC/2h+230/2h。   3.4改性氰酸酯复合材料的力学性能    如表2所示,SW220/改性氰酸酯和EW220/改        性氰酸酯复合材料具有良好的力学性能,虽然两       种材料的面密度和单层厚度相同,但SW220是高    强S玻璃纤维织物,EW220是无碱玻璃纤维织物,  因此两种纤维织物的9518复合材料在力学性能方        面有一定差异。总体来说,两种复合材料具有较         高力学性能,说明由外推法得出的固化工艺是比 较合理的。   表2玻璃纤维织物/改性氰酸酯复合材料的经向力学性能/懒 MPaG模 Pa 比/蝴 MPa  /GPa     材料\度 量/…  一 度 量    SW22O/951869O 24.7 O.134 780 24.2    EW220/9518522 22.8 0.120 693 2O.7          压缩强压缩模层间剪切面内剪切面内剪切       度/MPa量/GPa强度/MPa强度/MPa模量/GPa   SW220/9518460 25.3 71.3 140 4.62    EW220/95l8424 22.1 70.0 129 4.53 2010年第5期       玻璃钢/复合材料 23   4结论        (1)改性氰酸酯固化反应过程存在2个放热   峰,随着升温速率升高放热峰向高温方向移动;       (2)改性氰酸酯树脂固化反应表观活化能为  60.81kJ/tool,反应级数为0.8846,改性氰酸酯树脂   的固化反应过程是一个接近于1级的化学反应;     (3)改性氰酸酯树脂在升温速率=0时的、   ℃  和分别为120.O0cI=,176.67和226.67oC,凝  胶时间随着温度升高而下降,结合DSC和流变特性   确定了改性氰酸酯树脂的固化工艺;   (4)玻璃纤维织物/改性氰酸酯复合材料具有 良好的力学性能。 参考文献      [1]JMijoric,CHLee.Acompositeofchemorheologicalmodeforther-     mosetCU ̄'C[J].JApplPolymerSci,1989,(38):2155.        [2]MJPerry.Resintransfermouldingofepoxy/graphitecomposite     [R].Proc24thSAMPETechConf,1992.    [3]赵渠森.先进复合材料手册[M].北京:机械工业出版社,2003.     [4]嵇培军,杨明,白树成等.环氧树脂/双马树脂/氰酸酯共聚物复 合材料性能研究[R].哈尔滨:第十五届全国复合材料学术会议  论文集,2008.234-236. [5]嵇培军,欧秋仁,武玲等.G814/9518改性氰酸酯复合材料性能 的研究[R].北京:2009年航天工艺信息网学术交流会议论文 — 集,2009.179182.       [63赵磊,盂季茹,粱国正等.改性氰酸酯树脂的研究进展[J].玻璃  钢/复合材料,2005,(5):38-42.     [7]王志强,王婧婧,刘艳明等.氰酸酯改性及复合材料性能[R].北 京:航空工业出版社,第十三届全国复合材料学术会议论文集, 2004.477-482.     [8]尹剑波,秦华字,梁国正等.共聚改性氰酸酯树脂[J].工程塑料 应用,1999,27(7):5-7.       [9]BartonM.Mechanicalpropertiesoftough,hightemperaturecarbon          fibercompositesfromnovelfunctionalizedarylcyanateesterp  olymers [J].Polymer,1996,37(20):4519.        [10]McconnellVP.Toughpromisesfromcyanateesters[J].Advanced Composites,1992,(526):28.        [11]陈平,程子霞,朱兴松等.环氧树脂与氰酸酯共固化产物性能  — 的研究[J].复合材料学报,2001,18(3):lOl3. [12]张增平,梁国正,任鹏刚等.环氧改性氰酸酯树脂研究[J].航 — 空材料学报,2006,26(4):100104. [13]杨洁颖,梁国正,任鹏刚等.氰酸酯/环氧树脂体系的研究[J].  航空材料学报,2006,24(3):21-25.          [14]GrenierLousta]otMF,LartigauC.Astudyofthemechanismsand       —    kineticsofthemoltenstatereactionofnoncatalyzedcyanateand—  — epoxycyanatesystems[J].EurPolymJ,1995,(31):】1391153.       [15]韩建平,刘建超,张炜等.改性氰酸酯的预聚工艺研究[J].玻   璃钢/复合材料,2005,(5):33-36. [16]柴朋军,郝春功,张伟等.氰酸酯树脂热聚合反应与控制[J].   玻璃钢/复合材料,2008,(6):28-32.    [17]王浩,郑亚萍,张娇霞.氰酸酯/环氧树脂固化反应动力学研究  [J].玻璃钢/复合材料,2008,(6):3--6.         [18]GerjonO,GalyJ,PaseauhJP.Isothermalcuringofanuneata-        lyzeddicyanateestermonomerkineticsandmodeling[J].JAppl  PolymSci,1993,(49):1441-1452.           [19]梁国正.双酚A型氰酸酯树脂的改性研究[J].化工新型材  料,1999,27(6):29-31.       [2O]尹剑波,梁国正.共聚改性氰酸酯树脂及其性能[J].塑料工  业,2001,29(1):36-38.        [21]ShengHuaLu,ZhiWeiZhou,LiFang,eta1.Preparationand     propertiesofcyanateestermo dif     iedbyepoxyre    sinandphenolic     resin[J].Journal0fAppliedPolymerScience,2007,(103): 315O-3156.        [22]王陵侃,陆一尘,陈麟等.环氧改性氰酸酯固化动力学的研究  — [J].热固性树脂,2009,24(1):3133.       ’     STUDYONCURINGREACTIONKlErllJCS0CYANATEESTERRESINMoDIFIED     WrrHPHENoLICEPOXYRESIN —    OUQiuren,JIPei-jun,ZHOUYong,ZHAOLiang         (ResearchInstituteofSpecialAerospaceMaterialsandTechnology,Beijing100074,China)               — Abstract:ThecuringreactionkineticofbisphenolAcyanateesterresinmodifiedbyphenolicepoxywasstud             iedbydifferentialscanningcalorimetry(DSC).AccordingtoKissingerequationtheapparentactivationenergywas              60.81kJ/mo1.Thereactionorderwas0.8846withCranetheory.Theinitialtemperature,peakingtemperatureand            ℃ ℃    terminaltemperatureofthemodifiedcyanateresininthecureprocesswas120.00.176.67and226.67 ̄Cre.              spectively.AsuitablecureprocessingforthecopolymerwasobtainedwithDSCandrheologicalproperties,further-            moremechanicalpropertiesweretestedtoprovethecureprocessingwassuitable.          Keywords:bisphenolAcyanateesterresin;phenolicepoxyresin;curingreactionkinetic;rheology;mechanical properties    FRP/C ̄ ̄lONo5
清华君
该用户很懒,什么也没介绍
文档单价:1.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档