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核壳粒子增韧改性液态成型双马树脂性能及其机理 | 科技导报

   日期:2023-06-16     来源:科技导报    作者:邹齐、王乐天等    浏览:396    评论:0    
核心提示:传统的液态成型双马来酰亚胺树脂(BMI)较低的韧性阻碍了其在航空航天领域的应用。通过在液态成型双马树脂网络中引入核壳粒子,利用核壳粒子具备独特的双层结构增韧改性双马树脂。采用扫描电子显微镜(SEM)对不同含量核壳粒子改性液态成型双马树脂体系断面形貌进行研究,SEM结果表明,改性的液态成型双马树脂固化物断裂表面的裂纹扩展明显受阻,显示韧性断裂形貌。
 传统的液态成型双马来酰亚胺树脂(BMI)较低的韧性阻碍了其在航空航天领域的应用。通过在液态成型双马树脂网络中引入核壳粒子,利用核壳粒子具备独特的双层结构增韧改性双马树脂。采用扫描电子显微镜(SEM)对不同含量核壳粒子改性液态成型双马树脂体系断面形貌进行研究,SEM结果表明,改性的液态成型双马树脂固化物断裂表面的裂纹扩展明显受阻,显示韧性断裂形貌。
 
先进树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、良好的耐久性、性能可设计、适于整体成型等优异性能,已经成为航空涡扇发动机冷端部件用以代替金属的重要材料,对于高推重比的航空涡扇发动机的减重、提高推进效率、降低噪音和排放等具有重要的意义,但其制造的高成本问题日益突出。近年来,迅速发展的液态成型技术由于高效、低成本同时具有较高的工艺适用性和制品尺寸精度而逐渐成为优异的非热压罐复合材料成型工艺。该技术主要包括树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂灌注(VARI)等成型工艺,利用液态树脂的流动实现对干态纤维或织物预成型体的浸渍成型。
 
双马来酰亚胺树脂(简称双马树脂),是液态成型工艺常用的树脂基体之一,与环氧树脂相比具有优良工艺性能、耐腐蚀、低收缩和低蠕变性等特点的同时,具有更高的耐湿热、耐高温及阻燃性能,可以在170℃湿态环境下长期使用,经过后固化处理后,其干态使用温度甚至能够达到230℃~250℃,但是传统的双马树脂由于自身的交联密度太高,导致固化物脆性较大,即韧性差。因此,在保持双马树脂固有特性的同时,对其韧性改性至关重要。国内外在双马树脂的增韧改性方面进行了许多研究,包括降低树脂交联密度增韧、与韧性单体共聚增韧和引入“第二相”增韧等方法。
 
二元胺扩链改性双马树脂是通过增长分子链来降低交联密度,能提高聚合物链段的自由度,提升冲击性能;然而,这种改性方法在本质上会降低树脂材料的刚性以及玻璃化转变温度,导致材料的耐热性能降低。烯丙基化合物共聚改性双马树脂是应用较为广泛的增韧方法,改性后的共聚物稳定、溶解性好、工艺性能优良,其固化物具有高交联密度、低吸湿率、良好的耐热性能以及力学性能。目前,高韧性双马树脂体系的增韧一般是在双马来酰亚胺与烯丙基化合物共聚改性的基础上,引入“第二相”结构进一步增韧,例如橡胶弹性体或者热塑性树脂。其中,橡胶弹性体增韧双马树脂通常采用活性液体橡胶作为增韧组分,利用橡胶弹性体相分离形成的“海岛结构”,提高树脂基体的屈服变形能力,从而使韧性成倍提升。但是由于相分离的产生,橡胶本身的低模量和低玻璃化转变温度也会反馈到整个树脂体系中,使树脂体系耐热性能以及刚性降低。热塑性树脂增韧改性双马树脂的机理是通过热塑性高分子链与双马树脂交联网络形成宏观上均匀而微观上相分离结构,该结构能有效引发银纹和剪切带进行耗能,且形成的分散相结构能阻碍裂纹的扩展,从而提高了破坏能,进一步改善固化体系的韧性。此外,通常可选用的热塑性树脂为高性能工程塑料,其玻璃化转变温度、刚性较高,因而对双马树脂的耐热性能和刚性影响较小,但也存在不足之处,即高性能工程塑料具有较高的相对分子质量和较高的黏度,其溶解后会导致改性双马树脂黏度偏高,影响工艺性能。
 
本研究引入“第二相”增韧液态成型双马树脂机理,在烯丙基共聚改性的双马树脂三维交联网络中引入核壳粒子增韧双马树脂,如图1所示。核壳粒子由于具备独特的双层结构,使其能在树脂体系中形成非连续的点状分散,不会形成连续相,不会导致树脂体系玻璃化转变和温度明显下降,因而基本不影响树脂基体的耐热性以及热稳定性,同时核壳粒子不像橡胶弹性体和热塑性树脂会溶解于树脂体系中导致体系黏度急剧增大,而是以“乳液”形式分散,基本不影响液态成型双马树脂体系的黏度以及液态成型双马树脂体系的工艺性能。在本研究中,采用SEM分别对核壳粒子改性树脂固化物断面形貌表征,同时采用动态热机械分析仪(DMA)、热失重分析仪(TGA)以及万能试验机分别对其热性能、热失重性能以及静态力学性能进行研究,并进一步讨论了核壳粒子增韧液态成型双马树脂的机理。
 
 
 
 
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