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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. 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