摘 要 采用脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和雙酚F環(huán)氧樹脂為基體樹脂，通過添加稀釋劑、增韌劑、芳香胺型固化劑，制備了低粘度、高韌性環(huán)氧樹脂體系，對該樹脂體系的耐熱性能及復合材料力學性能進行了研究。結果表明，在40℃時樹脂體系粘度為230 mpa·s，操作時間大于8h，澆鑄體玻璃化轉變溫度為132.1℃，拉伸強度為70.72MPa，斷裂延伸率為3.09%。通過纏繞工藝制備了復合材料單向板，拉伸強度為2839.06MPa，彎曲強度為1609.49 MPa，力學性能優(yōu)異。

關鍵詞 低粘度；環(huán)氧樹脂；復合材料；力學性能

Property Study on Epoxy Resin System of Low Viscosity and High Toughness for Winding

LI Jinliang， GAO Xiaoru， LI Geng

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Taking alicyclic epoxy resin and bisphenol F epoxy resin as matrix， the epoxy resin system of low viscosity and high toughness is synthesized by adding diluent， toughener， and aromatic amine curing agent. The heat resistance of this resin system， as well as the mechanical property of the composite based on it are investigated. The results demonstrate that the resin system is endowed with the viscosity of 230 mpa·s at 40 ℃， the operation time over 8 h， the casting matrix glass transition temperature （Tg） of 132.1 ℃， the tensile strength of 70.72 MPa， and the elongation at break of 3.09%. The composite of unidirectional laminate is fabricated through winding process， and it exhibits superior mechanism with the tensile strength of 2839.06 MPa and the bending strength of 1609.49 MPa.

KEYWORDS low viscosity; epoxy resin; composites; mechanical property

1 引言

纖維增強塑料是由樹脂基體和增強材料組成的，其強度由增強材料承擔，樹脂基體的作用是將其固有的特性如耐候性、耐腐蝕性、阻燃性、耐熱性、耐寒性和電性能等賦予纖維增強材料，并將纖維粘結在一起，在纖維間起著傳遞力的作用［1-4］。對于纖維纏繞制品而言，決定其性能的主要因素有：（1）結構強度和剛度取決于制品中的纖維種類、含量及分布；（2）制品的化學性能、電性能和熱性能主要取決于樹脂基體的種類及其配比；（3）制品的綜合性能取決于樹脂基體與纏繞工藝的匹配性；（4）制品的成本和性能還取決于設計是否合理以及纖維和樹脂基體是否匹配［5-7］。

當纖維和樹脂基體一定時，欲使纖維纏繞的強度最高，則應在保證纖維具有良好粘結的前提下將樹脂含量降至最低。在選擇纖維纏繞用樹脂基體時，應使纏繞制品具有高的層間剪切強度和具有較高的與纖維相匹配的斷裂延伸率［1］。目前大多數(shù)纏繞制品是采用濕法纏繞工藝，這種工藝所采用的是低粘度的液體樹脂體系，使用壽命應滿足工藝操作所需的時間，在纏繞期間，樹脂基體不發(fā)生明顯的化學反應，粘度沒有明顯增加［8-11］。

因此，實驗采用復配的環(huán)氧樹脂為樹脂基體，環(huán)己二醇二縮水甘油醚為稀釋劑，聚氨酯改性雙酚F環(huán)氧樹脂為增韌劑，固化劑為胺類固化劑，制備了一種粘度低、韌性好的纏繞用環(huán)氧樹脂體系，并對該樹脂體系的粘度、耐熱性、澆鑄體及復合材料力學性能進行研究。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，南通新納希新材料有限公司；韌性環(huán)氧樹脂，泰州市恒創(chuàng)絕緣材料有限公司；環(huán)己二醇二縮水甘油醚，稀釋劑；二乙基甲苯二胺，固化劑。

碳纖維T700 12K，日本東麗公司。

主要實驗儀器：差示掃描量熱儀，Pyris 6型，美國Perkin-Elmer公司；

傅里葉紅外光譜儀，PE-Frontier型，美國PE公司；萬能材料試驗機，Instron5500R型，美國Instron公司；動態(tài)熱機械儀，DMA8000型，美國PerkinElmer；粘度計，NDJ-1型，上海訊宏儀器有限公司。

2.2 環(huán)氧樹脂體系的制備

將脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和雙酚F環(huán)氧樹脂在50℃條件下預熱，按一定比例添加稀釋劑和增韌劑，形成樹脂A組分，芳香胺型固化劑作為B組分，使用前將A、B組分按照一定的比例在常溫下攪拌均勻。

2.3 環(huán)氧樹脂澆鑄體的制備

將制備澆鑄體的模具在60 ℃烘箱中預熱，按一定比例配制環(huán)氧樹脂，將配制好的環(huán)氧樹脂體系進行抽真空處理，澆鑄體的固化制度為90 ℃/2h+120 ℃/1h+150 ℃/6h，升溫速率為3 ℃/min。

2.4 復合材料單向板制備

將配制好的樹脂倒入預熱好的膠槽中，向纏繞機輸入纏繞程序，進行環(huán)向層的纏繞，纏繞結束后斷紗，合模，將芯模與分瓣模組裝在一起，沿垂直纖維方向慢慢將纖維切斷，送入固化爐固化。固化結束后，將產品降溫，當溫度降至室溫后，將模具的固定螺栓拆除，脫下兩個分瓣模，取出單向板，按照圖紙對復合材料單向板進行加工。

2.5 性能測試

2.5.1 樹脂體系粘度測試

環(huán)氧樹脂體系粘度測定按照 GB/T22314-2008 塑料 環(huán)氧樹脂 粘度測定方法進行。

2.5.2 DSC固化曲線的測定

將A、B組分按照一定比例在常溫下進行混合，對混合后樹脂膠液在N2氣氛下進行DSC測試，測試溫度范圍為30 ℃～300 ℃，升溫速率分別為5 ℃/min、 10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min。

2.5.3 熱變形溫度測試

環(huán)氧樹脂澆鑄體熱變形溫度測定按照GB/T1634.1-2004 塑料 負荷變形溫度的測定 第一部分通用試驗方法進行。

2.5.4 復合材料力學性能測試

采用東麗T700碳纖維、低粘度環(huán)氧樹脂制備復合材料纏繞單向板，對復合材料單向板的纖維體積含量、拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能及層間剪切強度進行測試。

3 結果與討論

3.1 樹脂體系粘度研究

環(huán)氧樹脂的粘度是環(huán)氧樹脂實際使用中的重要指標之一，不同溫度下環(huán)氧樹脂粘度不同，并且影響使用期及樹脂與纖維的浸潤性，因此環(huán)氧樹脂的粘度測定是十分必要的。環(huán)氧樹脂體系粘度隨溫度變化關系如圖1所示。

由圖1可以看出，復配后的樹脂體系在30 ℃時粘度為550 mpa·s，隨著溫度的升高，樹脂體系的粘度不斷降低，當溫度升高至40 ℃時，樹脂粘度為220 mpa·s，當溫度升高到65 ℃時，樹脂體系粘度極低，達到50 mpa·s。說明在一定溫度范圍內，隨著溫度的升高，樹脂在短時間內并沒有發(fā)生交聯(lián)反應，樹脂分子內摩擦力減小，導致樹脂粘度不斷降低。

3.2 環(huán)氧樹脂體系膠液DSC曲線分析

為了使固化物能充分反映出樹脂本身應有的性能，不但要有最佳的組分比例，還必須要有合理的固化制度，對于A、B環(huán)氧樹脂體系在不同升溫速率下測得的DSC曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，A、B環(huán)氧樹脂體系在5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min的升溫速率下均可得到單一的放熱峰，隨著升溫速率的增大，放熱峰的位置逐漸向右移動，且峰形變寬，與基線所圍成面積變小，說明反應放熱減小，固化反應變得不完全。

A、B環(huán)氧樹脂體系在不同升溫速率下的DSC固化曲線參數(shù)如表1所示。由表1數(shù)據可以看出，起始溫度Ti、峰值溫度Tp、終止溫度Tf均隨著升溫速率的提高而呈現(xiàn)增大的趨勢，而固化反應放熱△Η變小，說明升溫速率慢有助于樹脂反應更加完全，結合上述測試結果和實際工藝條件，最終確定了樹脂固化時升溫速率為5 ℃/min ，固化制度為90 ℃/2h+120 ℃/1h+150 ℃/6h。

3.3 樹脂體系耐熱性的研究

對上述A、B環(huán)氧樹脂體系制備的澆鑄體，經測試樹脂澆鑄體的固化度為98.80%，說明上述固化制度合理，滿足環(huán)氧樹脂體系的固化要求。同時對樹脂澆鑄體試樣進行了DMA和DSC測試，測試結果如圖3（a）、（b）所示。

由圖3可以看出，（a）曲線圖為DMA法測試樹脂澆鑄體的玻璃化轉變溫度圖，Tg為132.1 ℃，（b）曲線圖為DSC法測試樹脂澆鑄體的玻璃化轉變溫度圖，Tg為128.8 ℃。兩種測試方法測出的樹脂玻璃化轉變溫度差別不大，說明樹脂體系的玻璃化轉變溫度約為130 ℃。

玻璃化轉變是聚合物從玻璃態(tài)向高彈態(tài)的次級轉變，在玻璃化轉變溫度下，聚合物的比熱和比容發(fā)生突變，分子鏈段開始運動，熱膨脹系數(shù)迅速增大。聚合物鏈段中強極性基團的存在增加分子間作用力，進而增加鏈密度［1］。

3.4 樹脂澆鑄體的力學性能

按照前期確定的固化制度，制備拉伸試樣澆鑄體，參照GB/T2567-2021對環(huán)氧樹脂澆鑄體拉伸強度進行測試，測試結果如表2所示。

由表2可知，所制備的澆鑄體平均拉伸強度為70.72 MPa，最大值達到了80.50 MPa，平均模量達到了2.75 GPa，而斷裂延伸率為3.09%，說明樹脂澆鑄體拉伸強度較高，韌性較好。

采用同樣的方法制備了彎曲性能試件，參照GB/T2567-2021對環(huán)氧樹脂澆鑄體彎曲強度進行測試，測試結果如表3所示。

由表3可以看出，所制備的澆鑄體平均彎曲強度為128.73 MPa，最大值達到了136.30 MPa，平均模量達到了3.00 GPa，說明樹脂澆鑄體彎曲強度較高，力學性能較好。

3.5 復合材料力學性能及理化性能

通過纏繞工藝制備了東麗T700纖維/A、B環(huán)氧樹脂復合材料單向板，利用單向板制備了相應的試件，并且對試件的力學性能及理化性能進行了測試，測試結果如表4所示。

由表4可以看出，復合材料單向板拉伸強度為2839.06 MPa，彎曲強度為1609.49 MPa，層間剪切強度為73.95 MPa，說明A、B環(huán)氧樹脂體系與東麗T700纖維界面性能良好，復合材料力學性能優(yōu)異。

同時對東麗T700纖維/A、B環(huán)氧樹脂復合材料理化性能進行了測試，測試結果如表5所示。

由表5可以看出，纏繞復合材料制品具有較高的纖維體積含量，達到了62.65%，復合材料固化度為97.51%，滿足復合材料制品對固化度的要求。

4 結語

（1）采用兩種環(huán)氧樹脂作為基體樹脂，通過添加增韌劑、稀釋劑及固化劑，制備了一種低粘度、高韌性環(huán)氧樹脂體系，該樹脂體系適用于纏繞工藝。

（2）通過DSC法測試了不同升溫速率下樹脂膠液的固化反應，確定了樹脂體系的固化制度。

（3）研究了樹脂體系澆鑄體的耐熱性能及力學性能，樹脂澆鑄體具有較高的拉伸強度及彎曲強度。

（4）采用纏繞工藝制備了復合材料單向板，單向板具有較高的纖維體積含量，纖維與樹脂的界面性能良好，復合材料力學性能優(yōu)異。

參 考 文 獻

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通訊作者：李金亮，男，高級工程師。研究方向為樹脂基體復合材料。E-mail：lijinliang219917@163.com