谈环氧树脂的性能及在复合材料中的应用.docx
《谈环氧树脂的性能及在复合材料中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《谈环氧树脂的性能及在复合材料中的应用.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
谈环氧树脂的性能及在复合材料中的应用
读书报告
谈环氧树脂的性能及在复合材料中的应用
班级：
非织造
姓名：
学号：
环氧树脂
摘要：
着重介绍了环氧树脂的理化性质及在复合材料中的应用。
环氧树脂具有粘接强度高、稳定性好、收缩率小、机械强度高以及优良的的电绝缘性和良好的加工性，因此在国民经济的各个领域中被广泛的应用，例如多种金属与非金属材料的粘结、耐腐蚀涂料、电气绝缘材料、玻璃钢/复合材料等。
并简要介绍了目前国外环氧树脂复合材料的应用。
关键词：
环氧树脂、理化性质、复合材料、应用
环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。
环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。
由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物.
1、理化性质
1.1化学性质
反应性：
环氧树脂中环氧基和羟基是活泼的反映基团。
环氧基可与伯胺、仲胺、叔胺、酚类、羧基、无机酸反应。
羟基可与酸酐、羧酸、热固性酚醛树脂、氨基树脂、异氰酸酯和硅醇等反应。
溶解性：
环氧树脂的溶解性随分子量增加而降低，可溶于酮类、酯类、醇醚类氯化烃类溶剂。
高分子量的环氧树脂一般难溶于芳烃类、醇类溶剂。
双酚A型环氧树脂分子式（C11H12O3）n
1.2物理性质
环氧树脂按分子量和化学结构可从液体到固体。
固化前为黄色至青铜色热塑性物质。
（1）力学性能高。
环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所以它的力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂。
（2）粘接性能优异。
环氧树脂固化体系中活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性集团赋予环氧固化物以极高的粘接强度。
再加上它有很高的内聚强度等力学性能，因此它的粘接性能特别强，可用作结构胶。
（3）固化收缩率小。
一般为1％～2％。
是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一（酚醛树脂为8％～10％；不饱和聚酯树脂为4％～6％；有机硅树脂为4％～8％）。
线胀系数也很小，一般为6×10-5/oC。
所以其产品尺寸稳定，内应力小，不易开裂。
（4）工艺性好。
环氧树脂固化时基本上不产生低分子挥发物，所以可低压成型或接触压成型。
配方设计的灵活性很大，可设计出适合各种工艺性要求的配方。
（5）电性能好。
是热固性树脂中介电性能最好的品种之一。
（6）稳定性好。
不合碱、盐等杂质的环氧树脂不易变质。
只要贮存得当（密封、不受潮、不遇高温），其贮存期为1年。
超期后若检验合格仍可使用。
环氧固化物具有优良的化学稳定性。
其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。
（7）环氧固化物的耐热性一般为80～100oC。
环氧树脂的耐热品种可达200oC或更高。
（8）在热卧性树脂中，环氧树脂及其固化物的综合性能最好。
[1]
2、在复合材料中的应用
2.1应用特性
（1）形式多样各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。
（2）固化方便选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0～180℃温度范围内固化。
（3）粘附力强环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。
环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。
（4）收缩性低环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。
它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2%）。
（5）力学性能固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。
（6）电性能固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。
[2]
（7）化学稳定性通常，固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。
像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。
适当地选用环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。
（8）尺寸稳定性上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。
（9）耐霉菌固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带条件下使用。
[1]
2.2在复合材料中的应用
环氧树脂是先进复合材料中应用最广泛的树脂体系，它可适用于多种成型工艺，可配制成不同配方，可调节粘度范围大；以便适应于不同的生产工艺。
它的贮存寿命长，固化时不释出挥发物，固化收缩率低，固化后的制品具有极佳的尺寸稳定性、良好的耐热、耐湿性能和高的绝缘性，因此，目前环氧树脂统治着高性能复合材料的市场。
[3]
（一）环氧树脂复合材料在航空工业中应用
40年代初，电子工业的需要，寻找一种适宜的材料，做防护军用飞行器的雷达天线，特别是防护战斗机及轰炸机上的雷达天线。
采用雷达罩是用来防护气候对精密电子仪器的影响。
玻璃钢具有优良的透雷达波性能，足够的机械强度和简便的成型工艺，使它成为理想的雷达罩材料。
这是历史上第一次采用玻璃钢制造雷达罩，同时又大大地促进了玻璃钢材料的研究。
60年代玻璃钢技术在直升机领域的应用有所突破，如西德M．B．B．公司研制玻璃钢旋翼桨叶，逐步取代金属铝蒙皮/铝蜂窝夹层结构的金属桨叶。
但由于玻璃钢的模量低，不能制造高强度的飞机结构件。
70年代初，随着硼纤维、碳纤维、芳纶纤维等相继出现，这些高级增强纤维的比刚度、比强度、耐疲劳性能等优于金属材料，由它们来增强环氧树脂组成的复合材料，已在飞机的主结构件（主受力件）上得到应用。
近10多年来，考虑到这些高级增强纤维的价格都比较高，为了更合理的用材，大力开发混杂复合材料（HybridComposites）的研究。
以复合材料在飞机发动机中的应用为代表。
美国两家喷气发动机制造厂：
通用电器—飞机发动机事业集团公司（GE—AEBG）和普惠公司，以及其它一些二次承包公司，都在用高性能复合材料取代金属制造飞机发动机零部件。
如发动机舱系统的许多部紧推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用复合材料制造。
如发动机进口气罩的外壳是由美国聚合物公司的碳纤维环氧树脂预混料（E707A）叠铺而成，它具有耐177℃高温的热氧化稳定性科壳表面光滑如镜面，有利于形成层流。
又如FW40O0型发动机有80个149℃的高温空气喷口导流片也是用碳纤维环氧预浸料制造的。
在316℃这一极限温度以下的环境中，复合材料不仅性能优于金属，而且经济效益高。
据波音公司估算，喷气客机重量每减轻一磅，是飞机在整个使用期限内可节省1000美元。
据法布莱特公司估算，美国第年约有100万磅复合材料用于制造喷气飞机发动机零件，销售额高达5000万美元。
目前环氧树脂的连续使用温度最高约在280℃以下，近来DOW化学公司的一种多功能团环氧树脂Tactlx742，用二氨基二苯砜固化剂；制成的制品玻璃化温度Tg＞310℃，可用于制造喷气发动机零件。
（二）环氧树脂复合材料在航天工业中的应用
宇航技术对结构材料高比模量、高比强度的要求，特别严格，使先进复合材料成为宇航技术必需的材料。
作为结构材料的基作树脂基本上都采用环氧树脂。
其主要的应用范围如下：
（1）固体火箭发动机壳体
在50年代末，采用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体取代钢壳，使结构减轻50％一60％。
后来，“三叉戟1”、MX的三级发动机壳体全部采用芳纶／环氧树脂体系，重量又比玻璃钢的同尺寸壳体减轻50％。
在阿里安运载火箭许多结构件均用碳纤维／环氧树脂制造。
（2）战略导弹上的应用
美国已采用JFRP作弹头结构壳体、仪器舱、级间段等50多个分系统部件。
据洛克希德导弹与宇航公司称用碳纤维／环氧树脂制造的机构取代铝结构，可使结构减轻40％。
（3）卫星和宇航器上的结构应用
卫星结构的轻型化对卫星功能及运载火箭的要求至关重要，所以对卫星结构的重量要求很严。
国际通讯卫星VA中心推力筒用碳纤维复合材料取代铝后减重23kg（约占3O％）,可使有效载荷舱增加450条电话线路，仅此一项盈利就接近卫星的发射费用。
美、欧卫星结构重量不到总重的10％，其原因就是广泛使用了先进复合材料。
（4）航天飞机上的应用
美国航天飞机上使用的结构复合材料总重约2吨，采用先进复合材料后减重410kg，而且明显减少了飞行过程中因复杂的温度环境引起的变形。
航天飞机进入轨道后，用机械手投放和回收卫星，机械手上臂、前臂是用超高模量石墨纤维GY—70增强环氧制成的。
总之，复合材料已成为宇航工业中不可缺少的关键材料。
[4]
（三）环氧复合材料在民用工业中的应用[5]-[8]
凡是对机械强度要求高的增强塑料制品基本上采用环氧树脂作为基体。
（1）玻璃钢的压力容器和管道
我国西安、北京、重庆、自贡已生产汽车用压缩天然气（CNG）瓶，北京已成为现在使用CNG公交车最多的城市。
国内已经有4家企业生产环氧玻璃钢高压管。
60年代国内钢瓶十分紧张，采用纤维缠绕成型制造玻璃钢气瓶相当活跃，曾制定过部颁标准FC194-74，90R年修改后制定ZBQ23004一90。
玻璃纤维增强塑料压力容器，以环氧树脂和616酚醛树脂体系为基体，40立升气瓶使用压力为12MPa，使用寿命5年以上。
上海材料研究所和临安玻璃钢厂合作，也采用纤维缠绕成型工艺，而使用环氧树脂一二甲基咪唑体系，其性能不亚于环氧一酚醛树脂体系。
用此配方制成水研用的压力容器。
（2）玻璃钢电机护环、套环等
护环套装于发电机转子两端，保护转子线圈的端部，防止在高速旋转时，受离心力作用它是发电机受力最大的部件之一，对强度和模量要求比较高，采用轻质高强的复合材料可以取代无镍反磁合金钢。
60年代末国内先后生产1.25W千瓦和2.5万千瓦两种发电机护环。
后者由北京重型电机厂、杭州玻璃钢化工设备厂和上海材料研究所等单位合作，选用高强度（S）玻璃纤维和高模量（M）玻璃纤维进行缠绕，用62O7（脂环族）环氧树脂一酸酐体系树脂配方和AFG—90环氧树脂（缩水甘油胺型）—HK—021酸酐体系作为基体，使用多年情况良好。
玻璃钢套环3000千瓦以下的在杭州玻璃钢化工设备厂生产，已在北京重型电机厂安装出厂30年，属于定型产品。
此外，发电机定子线圈端都支撑环，装在定子线圈的鼻端，承受最大载荷是发电机发生短路的瞬间，亦采用玻璃钢制造，称为玻璃钢绑环。
这种绑环安装在10万千瓦的气轮发电机上，已使用20余年。
在国内最大的60万千瓦发电机用的玻璃钢锥壳（其作用类似于支撑环）也是用了10多年。
玻璃钢绝缘子，有待于进一步开发研究。
绝缘子的作用是把带电线路或带电零部件之间隔开，既要求绝缘又要求高强度，电绝缘何耐腐（室外用），采用玻璃钢很适用。
国外在露天的22万伏输电杆上的绝缘于已采用环氧树脂玻璃钢成批生产。
（3）防腐蚀制品
通常不饱和聚酯树脂玻璃钢的力学性能在45℃以上强度就会明显下降，同时不饱和聚酯树脂耐碱性较差。
如果在防腐蚀制品中要求强度高，耐温性好等则建议选用环氧玻璃钢。
如上海市上钢二厂，在生产硫酸铁过程中，反应槽需要连续在120℃使用，选用环氧玻璃钢取得了很满意的效果。
这种耐高温的反应槽是由临安玻璃钢厂制造的。
（4）玻璃钢模具
a玻璃钢铸造模具
用玻璃钢制成的铸造模具，比木模、铝模的效果好的多，使用寿命长，通常在万次以上，价格也比较便宜。
b玻璃钢制品模具
采用喷射成型、树脂传递模塑（RTM）成型所需的制品模具，通常都用不饱和聚酯玻璃钢模具。
笔者建议采用环氧树脂玻璃钢模具更好，具有模具强度高、使用寿命长、尺寸稳定性好等优点。
（5）风力发电机叶片
我国做到长23m，国外已经超过50m。
（6）碳纤维补强建筑结构
（7）运动器材
高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、壁球拍、滑雪板、渔具、自行车架等
3.3国外环氧树脂复合材料的应用
日本Yokohama橡胶公司开发了一种用于空中客车A380的复合材料部件的环境友好的无粘接剂预浸料。
该预浸料用于飞机机翼整流罩，由碳纤维增韧环氧树脂制成。
A380的机翼构造为蜂窝状内层夹在纤维增韧塑料板材中间。
该预浸料省去了需要使用环境友好，无昧的溶剂溶解预渍料以便模塑的工艺，应用时只须加热即可熔解模塑，同样，只须加热即可固定蜂窝内层，无需粘接剂，这减少了整流罩安装的一个步骤，提高了生产效率。
该公司也成为首家获得为空中客车供应这类材料许可的日本公司。
NordamGroupInc获得了波音公司的许可，为其供应787大型客机复合材料窗框。
该窗框将采用HexcelCorp的HexMC（一种专门设计用于压缩模塑的高填充环氧片状模塑料），该材料具有高强度，低密度，结实，富于刚性的特点。
该窗框与原先的铝质窗框相比，重量减轻了50%，具有高耐破坏性，这是首次将复合材料窗框用于商业大型客机，也是飞机机身构造的一次创新。
首批产品已经交付波音公司机身合作制造商。
LH-10Ellipse是一种纵排双座运动型飞机，该飞机全部采用碳纤维/环氧树脂复合材料制成，目前已成套出售。
其飞行速度可达到370km/h，比其他同类飞机快100-150km/h。
其特色为在飞机后部装有带螺旋桨推进器的中型发动机和碳纤维主轴。
波兰SunreBf游艇公司开始建造其第15艘Sunreef62复合材料双体船。
该公司在复合材料制造领域的研究和经验以及实验室的测试表明，环氧树脂、纤维夹层的基体结构在造船时可提供最大的强度和最长使用寿命。
在造船时可选择的3种主要的树脂类型为聚酯、乙烯基酯、环氧树脂，其中力学性能最好的是环氧树脂。
此外，带有乙烯基酯的环氧树脂可以保护整体结构，防止渗透，防止层压板吸水，最后至其核心部位。
总部在波兰格但斯克的Sunreef游艇公司称其为世界上少数几个采用环氧树脂体系及高性能玻璃纤维产品（高负荷区采用碳纤维增强）建造半定制游艇的公司之一。
该公司现计划推出2款新型号Sunreef67PowerandSail以及Sunreef78Power，将采用环氧树脂制造。
日立化学计划批量生产其层压了光波导膜的玻纤-环氧基材产品，该产品受电磁干扰小，比普通的电子线路板扩散损耗低，具有很好的耐弯曲性，可经受高温无铅焊接，适用于移动电话、数码相机、医学设备等形状渐小功能趋多的印刷线路板中。
美国Norplex-Micarta公司开发了一种用于无铅焊接的高温热固性复合垫衬材料MaveMax6000。
这是一种耐高温、消静电环氧树脂与无纺无规玻璃纤维底材构成的体系。
玻璃纤维与环氧树脂的比例易于加工，材料在高温环境中（高达315℃）弯曲强度和刚性得以保持。
尽管玻纤增强塑料（GFRP）已在制造业、建筑业等工业领域广泛应用，但GFRP一直难于回收利用。
日立化学开发了一种低成本回收基于环氧/酸酐固化体系的玻纤增强塑料的新工艺。
该工艺首先将环氧树脂常压，200℃（或低些）溶于磷酸三钾催化剂和苯甲醇中，然后回收环氧树脂和玻纤，由于回收条件温和，2种回收物的品质较高。
该公司称，由回收的环氧树脂和玻纤制得的再生GFRP拉伸强度和线性弹性模量为采用新原料制得的GFRP的80%-120%。
该公司已经开始开发再生GFRP的应用，如将其用于浴缸和护栏等。
[9]-[11]
参考文献
[l]钱军民,李旭祥.环氧树脂改性研究进展[J].绝缘材料,2001,（5）:
27-31
[2]王德中.环氧树脂的生产与应用，[C]北学工业出版社,2001，6
[3]孙曼灵.环氧树脂应用原理与技术，[C].机械工业出版社，2002，9
[4]赵玉庭，姚希曾.复合材料聚合物基体[C]武汉工业大学出版社，1996，4
[5]李桂林.环氧树脂与环氧涂料[C]北学工业出版社，2004，1
[6]陈平，刘胜平等.环氧树脂[C]北学工业出版社，1999,1
[7]李广宇，李子东等.环氧胶戮剂与应用技术[C]北学工业出版社，2007年7月
[8]蔡辉，闻逢元等.环氧树脂的研究与应用进展[J].材料导报，2003年2月:
46-48
[9]蔡永源等.环氧树脂胶粘剂应用进展[J]北工新型材料，2005年11月:
17-20
[10]梁璀，钟宏.E44型环氧树脂固化和应用的研究[J].中国胶粘剂，2006年3月:
26-28
[11]Noro.ResineomPositionforencaPsulatingsemiconductordeviee.UnitedStatesPaten:
7,312,104.2007-12-25.
升级会员 