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        一種真空灌注阻燃環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的開發(fā)和性能研究

        2020-09-05 05:56:02吉明磊
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2020年27期
        關(guān)鍵詞:阻燃性阻燃劑環(huán)氧

        吉明磊

        (道生天合材料科技(上海)股份有限公司,上海201413)

        隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展,輕量化成為主要發(fā)展方向,復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度大、減振性好等優(yōu)點[1],可以提高機(jī)車車輛輕量化水平,因此在軌道車輛行業(yè)設(shè)計中被大量選用。同時軌道交通行業(yè)對復(fù)合材料的燃燒安全性具有一定的要求,因此對復(fù)合材料中的樹脂阻燃性也有了更高的要求?,F(xiàn)在市面上的一些阻燃環(huán)氧樹脂系統(tǒng)主要分為以下幾類,分別是:第一類使用含鹵環(huán)氧樹脂或者添加含鹵阻燃劑的環(huán)氧樹脂[2];第二類大量使用ATH、微膠囊包覆紅磷[3]等無機(jī)阻燃填料的環(huán)氧樹脂系統(tǒng);第三類使用含P/N 環(huán)氧樹脂或者添加無鹵阻燃劑的環(huán)氧樹脂[4]。

        在環(huán)保要求越來越高的情況下,第一類阻燃環(huán)氧樹脂已經(jīng)逐漸面臨淘汰。第二類阻燃環(huán)氧樹脂,因為含有無機(jī)填料,粘度高,不適應(yīng)灌注工藝且力學(xué)性能差。第三類阻燃環(huán)氧樹脂系統(tǒng),面臨著原料成本高昂,力學(xué)性能不足等問題。為了解決以上問題,對磷酸三乙酯、甲基膦酸二甲酯[5]進(jìn)行了研究,并設(shè)計開發(fā)了一種低成本、阻燃好、工藝性好的阻燃環(huán)氧灌注系統(tǒng)。

        1 不同阻燃劑的阻燃性能研究

        為了研究TEP 和DMMP 對樹脂耐熱性的影響,同時考慮到阻燃劑參與到反應(yīng)中的可能性,以環(huán)氧基團(tuán)與固化劑活潑氫等當(dāng)量為基準(zhǔn),設(shè)計了不同配比的反應(yīng)。根據(jù)固化物的TG 確定了樹脂與固化劑的最終比例,并進(jìn)一步測試了固化物的力學(xué)性能和阻燃性。

        1.1 實驗材料與儀器

        實驗材料包括雙酚A 型環(huán)氧樹脂(NPEL 127E),南亞環(huán)氧樹脂公司;磷酸三乙酯(TEP),張家港雅瑞化工有限公司;甲基磷酸二甲酯(DMMP),青島聯(lián)美有限公司;異佛爾酮二胺(IPDA),贏創(chuàng)特種化學(xué)(上海)有限公司。

        實驗儀器包括:電子天平,梅特勒- 托利多(上海)有限公司;錐 板 粘 度 計,AMETEK Brookfield;DSC,TA 儀 器 公 司;SPEEDMIX ,F(xiàn)lackTek, Inc;烘箱,PPG 工業(yè)涂料有限公司;簡支梁沖擊試驗機(jī),美特斯工業(yè)(中國)有限公司;垂直燃燒試驗儀,江寧分析儀器廠;萬能試驗機(jī),美特斯工業(yè)(中國)有限公司。

        1.2 阻燃環(huán)氧樹脂的制備

        分別稱取一定量的環(huán)氧樹脂127E 和阻燃劑于混料杯中,使用SPEEDMIX 混合均勻后,得到無色透明液體料。固化劑即為IPDA,將A 組分與B 組分按不同的配比進(jìn)行混合均勻后,倒入不銹鋼模具,放入程序烘箱,設(shè)定烘箱的升溫程序為:50 度2h、150 度3h,制得阻燃環(huán)氧樹脂澆注板。

        1.3 性能測試

        將制得的澆注板,按測試標(biāo)準(zhǔn)切割成樣條,并使用美特斯萬能試驗機(jī),簡支梁沖擊試驗機(jī)和CZF-2 垂直燃燒儀,分別進(jìn)行澆注體的力學(xué)性能和垂直燃燒性能測試。

        1.4 結(jié)果與討論

        1.4.1 阻燃劑對環(huán)氧樹脂耐熱性的影響

        假定阻燃劑TEP 和DMMP 不參反應(yīng),由127E 的環(huán)氧當(dāng)量EEW,以及IPDA 的活潑氫等當(dāng)量反應(yīng),得到一系列不同比例固化物的玻璃化溫度。

        當(dāng)A 組分環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基與B 組分胺的活潑氫等摩爾當(dāng)量,即配比為100:21 時,固化物的玻璃化溫度為最大值108℃,說明TEP 不參與環(huán)氧樹脂與胺的固化反應(yīng)。而對于DMMP 阻燃體系,當(dāng)A 組分與B 組分的配比為100:25 時,固化物的玻璃化溫度達(dá)到最大值131。表明DMMP 阻燃劑參與到了環(huán)氧樹脂與胺的固化反應(yīng)中,且固化物的耐熱性能明顯高于TEP 體系。

        1.4.2 阻燃劑對環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響

        根據(jù)玻璃化溫度,確定各阻燃環(huán)氧樹脂體系的A、B 組分的最佳配比。對制得的環(huán)氧樹脂固化物測試力學(xué)性能,兩種阻燃環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能結(jié)果都較優(yōu)異。這是由于阻燃劑的存在適當(dāng)降低了固化物中的環(huán)氧胺三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的密度,降低了固化收縮引起的內(nèi)應(yīng)力[6]。并且由對比可知,DMMP 阻燃環(huán)氧體系的力學(xué)性能優(yōu)于TEP 阻燃環(huán)氧體系。

        1.4.3 阻燃劑對環(huán)氧樹脂阻燃性能的影響

        對上述兩種阻燃體系,進(jìn)一步考察了它們的UL94 垂直燃燒性能。當(dāng)阻燃劑在環(huán)氧樹脂中的質(zhì)量比例為12 份,DMMP 阻燃體系的燃燒時間(T1 和T2)都小于TEP 阻燃體系,這是由于DMMP 中存在磷- 碳鍵的緣故,其阻燃性優(yōu)于TEP。但兩種阻燃體系的阻燃等級都只能達(dá)到UL94V-1 級。通過適當(dāng)增加了DMMP 的比例,可以實現(xiàn)UL94- V0 級。

        2 阻燃環(huán)氧樹脂灌注系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)

        根據(jù)前述的TEP 和DMMP 這兩種阻燃劑的對比研究結(jié)果,考慮到DMMP 對環(huán)氧樹脂耐熱性降低更小的影響,并且更優(yōu)的固化物力學(xué)性能,因此使用了DMMP 來進(jìn)行了阻燃環(huán)氧樹脂灌注系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。經(jīng)過進(jìn)一步的配方設(shè)計優(yōu)化實驗,最終確定了阻燃環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的配方,并且通過灌注工藝試驗,驗證了樹脂體系的優(yōu)異工藝性。另外對灌注得到的玻纖層合板進(jìn)行了力學(xué)測試,表明樹脂體系具有良好的力學(xué)性能和阻燃性能。

        2.1 實驗材料與儀器

        實驗材料如下:改性環(huán)氧樹脂,道生天合材料科技有限公司;單軸向玻璃纖維布1240g/cm2,歐文斯科(上海)有限公司;真空袋膜,科拉斯科技有限公司;四氟脫模布,科拉斯科技有限公司;導(dǎo)流網(wǎng),科拉斯科技有限公司;脫模劑,廣州愉星企業(yè)有限公司;甲基磷酸二甲酯(DMMP),青島聯(lián)美有限公司;異佛爾酮二胺(IPDA),贏創(chuàng)特種化學(xué)(上海)有限公司。

        實驗儀器包括電子天平,梅特勒- 托利多(上海) 有限公司;電動攪拌機(jī),上海壹維機(jī)電設(shè)備有限公司;DSC,TA 儀器公司;垂直燃燒試驗儀,江寧分析儀器廠;灌注加熱臺,固瑞特有限公司;溫度記錄儀,Omega Engineering Inc;旋轉(zhuǎn)粘度計,上海微川精密儀器有限公司;真空泵,德凱真空設(shè)備有限公司;萬能試驗機(jī),美特斯工業(yè)(中國)有限公司。

        2.2 阻燃環(huán)氧樹脂玻璃鋼的制備

        2.2.1 清理干凈灌注臺后,在表面涂上一層脫模劑,待脫模劑干掉后,鋪上一層脫模布,然后分別鋪上2 層單軸向玻纖布(用于0 度方向測試),4 層單軸向玻纖布(用于90 度方向測試),6 層單軸向玻纖布(用于垂直燃燒測試)。

        2.2.2 在玻纖布上鋪一層脫模布、導(dǎo)流網(wǎng),用于放置注膠管。

        2.2.3 抽氣口布置:出膠側(cè)使用螺旋管抽氣,放于纖維出膠側(cè)末端模具上,然后鋪放一層真空袋壓膜進(jìn)行密封。開啟真空泵,保壓30min 以上,確認(rèn)真空袋內(nèi)氣壓小于50KPa。

        2.2.4 分別稱取一定量的阻燃環(huán)氧樹脂、固化劑于2L 的燒杯中,使用電動攪拌機(jī)混合均勻后,進(jìn)行真空脫泡,然后將進(jìn)膠管插入,開始進(jìn)行灌注過程。

        2.2.5 灌注結(jié)束后,鋪上一層保溫毯,設(shè)定灌注臺的升溫程序為:50 度4 小時,90 度4 小時。

        2.3 性能測試

        將灌注結(jié)束、固化完成后,制得的玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,按ISO 527-5 分別切割制樣成,0 度拉伸、90 度拉伸樣條,按ISO 14126 切割成層間剪切樣條,用于靜態(tài)力學(xué)測試。同時切割為長125mm、寬13mm 的樣條,進(jìn)行垂直燃燒性能測試。使用旋轉(zhuǎn)粘度計的2 號轉(zhuǎn)子,測試175g 樹脂混合料體系,在30 攝氏度下的粘度增長曲線。將烘箱設(shè)定為25 攝氏度,使用實時溫度記錄儀,測定100g 樹脂混合料體系的反應(yīng)放熱情況。使用電子天平,采用排水法測試了阻燃環(huán)氧樹脂體系反應(yīng)前后的密度,進(jìn)而求得反應(yīng)前后的體積收縮率。

        2.4 結(jié)果與討論

        2.4.1 阻燃灌注環(huán)氧樹脂的配方研究

        圖1 2 號配方的反應(yīng)放熱(100 克,25℃)

        由前述研究結(jié)果可知,DMMP 在環(huán)氧樹脂A 組分的比例12份時,UL94 垂直燃燒未能達(dá)到V-0 級別,于是進(jìn)一步提高了DMMP 的比例到19 份,達(dá)到了UL94V-0 級別,但是制得的澆注板表面粗糙、凹凸不平,表現(xiàn)為收縮嚴(yán)重。為了解決以上問題,使用了改性環(huán)氧樹脂,將其與改性胺提前預(yù)反應(yīng)并測試了樹脂體系反應(yīng)前后的體積收縮。

        結(jié)果顯示,阻燃環(huán)氧樹脂配方2 的體積收縮明顯低于配方1,并且2 號配方制得的澆注板表面光滑平整。表明了改性環(huán)氧樹脂與改性胺預(yù)反應(yīng)后,將胺分子結(jié)構(gòu)提前接枝到環(huán)氧樹脂鏈上,降低了在阻燃劑DMMP 添加量較多的條件下,加成反應(yīng)引起的過高交聯(lián)收縮現(xiàn)象。

        2.4.2 阻燃環(huán)氧樹脂配方的工藝性和力學(xué)性能研究

        用于制備較大復(fù)合材料部件的灌注系統(tǒng),必須具備較低的操作粘度,較長的操作期和較低的放熱峰,從而在灌注過程中充分浸潤玻纖,并且不會產(chǎn)生放熱過高或暴聚,融化導(dǎo)流管或真空袋壓膜等問題。阻燃環(huán)氧樹脂配方2 在25 攝氏度下的放熱曲線如圖1 所示,其中放熱峰為50.4℃,出峰時間為236.5min,表明該樹脂體系反應(yīng)速度適中,放熱溫和。環(huán)氧樹脂混合料在30 攝氏度下初始混合粘度在200-300mPa.s 之間,很適合玻纖的浸潤。同時粘度增長到500mPa.s 的時間為60.5min,具有比較長的操作期。

        使用制得澆注板,測試了純樹脂的力學(xué)性能。結(jié)果顯示澆注體力學(xué)性能優(yōu)異,尤其是沖擊強(qiáng)度超過了60 KJ/m2,表明阻燃改性后的環(huán)氧樹脂體系具有很好的沖擊韌性。表1 的結(jié)果也表明,該阻燃環(huán)氧樹脂玻纖復(fù)合材料具有很好的力學(xué)性能,并且對5.5mm 厚的層合板的阻燃性測試,達(dá)到了UL 94V-0 級別。

        3 結(jié)論

        對阻燃劑磷酸三乙酯(TEP)和甲基膦酸二甲酯(DMMP)的對比研究表明,在同等添加量下,DMMP 阻燃性、力學(xué)性能和耐熱性都優(yōu)于TEP。使用DMMP、改性環(huán)氧樹脂和改性胺,制得了一種新型阻燃灌注環(huán)氧樹脂系統(tǒng),該樹脂體系性能優(yōu)異、滿足灌注工藝,同時制得的復(fù)合材料力學(xué)好,阻燃性能達(dá)到UL94V-0 級。

        表1 阻燃環(huán)氧樹脂玻璃鋼的力學(xué)性能

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