碳纤维增强苯并恶嗪树脂基复合材料的研究进展.pdf
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1、6 8 碳 纤维增强苯并嗯嗪树脂基 复合材料的研 究进展 2 0 1 1 年 7月 碳 纤维增强苯并嗯嗪树脂基复合材料的研究进展 王 智,顾 宜(高分子材料工程 国家重点实验室,四川大学高分子科学 与工程学院,成都 6 1 0 0 6 5)摘要:苯并嗯嗪是近年来发展起来的一种新型的高性能复合材料基体树脂。本文较 系统地综述了国内外碳纤维增强苯 并嗯嗪复合材料的研究进展,介绍了苯并嗯嗪树脂及其复合材料的性能特点,指出了进一步的发展趋势。关键词:苯并嚷嗪;碳 纤维;复合材料 中图分类号:T B 3 3 2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 3 0 9 9 9(2 0 1 1)0 4 0 0 6
2、 8 0 5 新材料的研究、发展与应用一直是 当代高新技 术的重要内容之一,其 中复合材料,特别是先进复合 材料在新材料技 术领域 中占有重要地位,对促进世 界各 国军用和民用领域的高科技现代化起到了至关 重要 的作用,因此近年来倍受重视 _】。苯并嗯嗪是一类新型的热固性树脂,原料 易得,合成方法简单且综合性能优异,其开环 聚合 过程无 小分子物释放,低 固化收缩,成型加工性 与环氧树 脂相当,高温(1 8 0)下 的机械强度与双 马型 聚酰 亚胺接近,具有广阔的应用前景和研究价值,尤其适 用作基体树脂制备玻璃纤维或碳纤维增强的复合材 料,是替代传统高性 能的酚醛树脂、环氧树脂、双马 来酰亚胺
3、树脂和聚酰亚胺树脂 的新 型材料,已被成 功应用于模压成型、层压成型、缠绕成型、R T M等多 种复合材料成型工艺|5 J。苯并嗯嗪树脂在高性能复 合材料方面具有较大 的应用潜力,它 的相关研究 已 引起 国内外研 究者 的广 泛关注。本 文综述 了碳纤 维 聚苯并嗯嗪树脂基复合材料的研究进展,主要涉 及以下几个方面。1 碳纤维增强苯并嗯嗪复合材料 的界 面改性研 究 碳纤维表面光滑且极性低,在碳纤维增强苯并 嗯嗪树脂基复合材料的研究 中,碳纤维表 面改性 和 复合材料界面性能就成为一个重要的研究 内容。J a n g和 Y a n g 。研究 了碳纤维表面处理对 苯并 嗯嗪树脂基复合材料机械
4、性能的影响,使用了双酚 A型的苯并嘌嗪树脂(B A a)(图 1所示)和 T 3 0 0碳 纤维。碳纤维表面去浆后分别采用等离子和硝酸氧 化两种方法处理,然后浸渍双酚 A型苯并 嗯嗪溶液 后模压成型。研究结果显示,该碳纤维增强苯并嗯 嗪复合材料的层间剪切强度 随着等离子处理时间的 延长而增大,3 m i n后强度 出现下 降,其最大值与碳 纤维表面未处理的复合材料相 比提高约 7 8 ,弯曲 强度与层 间剪切强度有着相同的变化趋势。与等离 子处理方法相 比,碳纤维表面经硝酸氧化处理后 其 复合材料 的层间剪切强度和弯 曲强度值均有更大幅 度的提高,效果更好。图 1 B A a的结构式 Fi g
5、 1 The s t ruc t ur e o f BA a H I s h i d a _ 8 等人采用 A T B N(端胺基 丁腈橡 胶)作为界面过渡层对复合材料进行改性,同时改善碳 纤维增强 苯并嗯 嗪复合材料 的韧性 和界面相互作 用。他们使用 T 3 0 0碳 纤维织 物和 B A-3 5 X苯并 嗯 嗪树脂,先将 A T B N溶于四氢呋喃溶液,然后浸渍碳 纤维织物,烘干后再浸渍 B A-3 5 x溶液,最后 压制成 板材。研究结果显示,随着 A T B N浓度 的增加,材料 的弯曲强度呈先增加后 降低 的趋势,A T B N的最优 浓度为碳纤维质量 的 0 0 0 4 0 0
6、0 5 ;去浆 的碳 纤 维表 面经过 A T B N改性 后,弯 曲性 能得 到进 一 步 提高。收稿 日期:2 0 1 1 4)1 1 4 作者简介:王智(1 9 8 4 一),男,在读博 士,主要从事耐热性聚合物研究。通讯作者:顾宜(1 9 4 9 ),男,教授,博士生导师,研究方向为耐热聚合物、热固性聚合物、树脂基复合材料。(m 2 IM1 p l 4j 2 0 1 1年第 4期 玻 璃 钢 复 合 材 料 6 9 O)图 2 B A 一 3 5 X的结 构式 Fi g 2 T he s t r u c t u r e o f BA-35 X 卢 晓春、余鼎声等人 采用双酚 A型苯并嗯
7、嗪 和碳纤维 T 3 0 0、T 8 0 0、M 4 0,将碳纤维表面上胶处理 后,分别制备了复合材料模压板,研究了复合材料 的 固化动力学、静态 和动态力学性能以及劈裂 面微观 形貌。研究结果表 明,碳纤维表面 的一 O H和一 C O O H 等弱酸性官能 团对苯并嗯嗪的固化反应具有催化作 用。碳纤维表面的环氧涂层对苯并 嘌嗪的固化反应 温度、固化速率以及表观反应活化能和反应级数 等 也有 明显影响;通用级 T 3 0 0碳纤维 苯并 嗯嗪树脂 基复合材料具有较高 的层间剪切强度 和弯 曲强度,其中涂覆环氧类上胶剂 的碳纤维复合 材料 的层 间 剪切 强 度 和 弯 曲强 度 最 大,分
8、别 达 到 9 8 M P a和 2 3 l O MP a。复合 材料 的动态力 学性能 和界 面微观 结构的研 究结果 表 明,涂 覆 环氧类 上胶 剂碳 纤 维 复合材料 的损耗峰高度 最小,界 面粘结性 能较好。对于通用级碳纤维(T 3 0 0)、高强碳 纤维(T 8 0 0)和 高模碳纤维(M 4 0)增强的苯并嗯嗪树脂基复合材 料,T 3 0 0和 T 8 0 0碳纤维 苯并 嗯嗪复合 材料具 有 较好的界 面粘结,表现 了较好 的综合性 能,然 而 由 于 M 4 0碳纤维表 面结构 不 同,表现 出较差 的界 面 性能。2 基体树脂的改性研究 2 1 苯并嗯嗪树脂的高性能化 苯并
9、嗯嗪优异的综合性能引人关注,而其出色 的分子设计性又使其具有性能的多样性。虽然双酚 A型苯并嗯嗪已获得较广泛的应用,然而其开环聚 合形成的 M a n n i c h i 桥结构在高温下易于裂解,耐热 性受到了一定 限制。因此,设计新型 的苯并嗯 嗪分 子 以达到复合材料更高的性能成为很多研究者感兴 趣的一个方面。H I s h i d a和 S h y a n 合成了两种新型的苯并 嗯 嗪树脂(2 2 P a 和4 4 0 a,其结构式如图3 所示),并成 功制备了碳纤维体积分数为 6 0 的复合材料。图 3 2 2 P a和 4 4 O a的结构式 F i g 3 T h e s t r
10、u c t u r e o f 2 2 P a a n d 4 4 Oa 他们使用 T 6 5 0碳纤维,通过排布机制备单向碳 纤维预浸料,然后模压成型。结果表明,4 4 0 a 复合 材料具有 比固化温度更高的 T g,达到 3 5 0 (2(如 图 4 所示);这两种复合材料在耐热性和机械性能方面要 比双马来酰胺复合材料 的性 能优越,可与聚酰亚胺 复合材料 的性能相媲美,并表现 出比聚酰亚胺更好 的加工性能。2 2 P a和 4 4 O a 经 2 9 0 固化 1 h所得到 的碳纤维单向板的弯曲强度、弯曲模量、层间剪切强 度分别为 2 3 0 0 M P a和 2 0 8 2 MP a
11、、2 4 2 G P a和 2 1 2 G P a、6 4 4 MP a和 8 1 8 MP a。图4 4 4 O a 型苯并嗯嗪(O)和其碳纤维复合材料(A)的固化温度与 T g的关系 Fi g 4 The r e l a t i o n s hi p b e t we e n c u r e t e mp e r a t ur e a n d Tg o f 4 40a a n d c a r b o n fi b e r c o mp o s i t e s 四川大学顾宜教授课题组采用二氨基二苯 甲烷(M D A)为胺源,合成了 M D A型苯并嗯嗪,将胺结构 引入交联网络,较大幅度地提高
12、 了苯并嗯嗪 自身 的 F】呲 7 0 碳纤维增强苯并嗯嗪树脂基复合材料的研究进展 2 0 1 1年7月 耐热性,成功地将该苯并 嗯嗪树脂应用于耐高温 电 工绝缘材料、无 卤阻燃 印制 电路基板、摩擦 材料、真 空泵旋片等方 面;正在开发 的应用领域面 向航天耐 烧蚀材料、航空结构材料、电子封装材料、阻燃材料 等,发展潜力 巨大。图 5 MI a n的结构式 Fi g 5 Th e s t r u c t u r e o f MI a n H_ I s h i d a L l 等人还合成了以马来酰亚胺 和 2 氨 基苯腈 为基础的苯并嗯嗪(M I a n),如 图 5所示,这 种苯并嗯嗪含有可
13、聚合的马来酰亚胺和腈基等官能 团,可以显著提高交联密度。马来酰亚胺基 团的引 入增加了材料的剪切黏度,其固化后的浇铸体剪切 强度相 比双环苯并嗯嗪的剪切强度要低。该材料具 有好的加工性能,同时保持 了出色的机械和耐热性 能。研究结果表明,在 1 5 0 下,嗯嗪环和马来酰亚 胺可 以发 生 聚合 反 应;不 同催 化 剂 的 使 用 表 明,F e C 1 3的催化效果最好,使得树脂残碳率达 6 8 ,复 合材料 的 T g显著提高,弯 曲强度提 高约 1 5。环 氧的加入对复合材料 的界面性能也有明显 的改善,使得 碳 纤 维 增 强 复 合 材 料 的 弯 曲 强 度 提 高 了 约 1
14、7 。2 2 苯并嗯嗪树脂基碳纤维复合材料的增韧改性 聚苯并嗯嗪显脆性,严重影响其在碳纤维复合 材料方面的应用,增韧改性是一个重要 的研究课题,改性 的方 法包 括 加 入 橡 胶、热 塑 性 树 脂、环 氧 树 脂等。J a n g 和 Y a n g “以及向海。等人采用液体橡胶 A T B N(端胺基丁腈橡胶)和 C T B N(端羧基丁腈橡 胶)对聚苯并嗯嗪进行增韧改性,研究了共混树脂固 化物的相形态 和相 尺寸、耐热性 和力 学性能。J a n g 和 Y a n g还使用 T 3 0 0作为增强材料,双酚 A型苯并 嗯嗪(B A a)作为基体,将不同含量的液体橡胶与 H 2 I =
15、N 0 4 B A a 共混,然后再浸渍碳纤维 织物,使 用模 压成型 的方法制板。研究结果表明,A T B N对 B A a的增韧 作用 比 C T B N更加有效。另外,复合材料 的弯曲强 度随 A T B N含量 的增加几 乎保持 不变,而随 C T B N 含量的增加明显下 降。作者认 为,这主要与改性树 脂体系复合材料的层间相互作用力相关。四川大学顾宜教授课题组在苯并嗯嗪树脂(B B O Z)中加入热塑性树脂聚醚酰亚胺(P E I),研究 了 P E I 含量对共混树脂 固化物相 分离行为、相形态和 性能的影响 。此外,还采用 固化剂和环氧树脂等 进行改性,浇铸体的性能见表 1,拉伸
16、断裂伸长率达 到了 2 7 ,树脂体 系的韧性得 到明显改善。将该 改性树 脂溶液浸渍 C C L 3 0 0碳纤维 制备得到预浸 料,采用模压工艺成型了碳纤维单向板,力学性能数 据 列入表 1。由于改 性树脂体 系的韧性得 到提 高,其碳纤维单向板的性能优异。表 1 改性苯并嗯嗪树脂浇铸体及复合材料的性能 T a b l e 1 P r o p e r t i e s o f c a s t a n d c o mp o s i t e s o f b e n z o x a z i n e R i m d u s i t 等人研究 了可用于碳纤维增强的具有 好的加工性能的苯并嗯嗪 环氧树脂
17、 酚醛树脂的三 2 0 1 1年 第 4期 玻 璃 钢 复 合 材 料 7 l 元混合体系(B E P)。研究过程中,作者使用了双酚 A型的苯并嗯嗪(B A a),碳纤维织物 K N#C 1 0 0采用 了溶液浸渍和模压成型方 法。结果表明,随着酚醛 树脂含量的增加,三元体系的凝胶点温度呈下 降趋 势,T g呈先增加后下降 的趋势;当苯并 嗯嗪、环氧、酚醛三种树脂的质量比为 3:6:2 时,三元混合树脂 具有最好的加工窗口,为 6 0 1 7 7 C;固化树脂的 T g可 达 1 6 0 C,碳纤维复合材料模量为 5 7 7 G P a,S E M结 果显示,复合材料的界面之间有着很好 的粘结
18、性。3 用于 R T M成型 的苯并嗯嗪树脂及 复合材料 树脂传递模塑(R T M)作为一种新 的成型工艺,对基体树脂性能有着特殊的要求:注射温度下粘 度低,最佳粘度为 2 0 0 3 0 0 e p,而且树脂与增强材料具 有好的浸润性;树脂固化快,无小分子放出;树 脂 固化收缩率低。开发适用于 R T M成 型的苯并 嗯 嗪树脂是近年来研究工作者关注 的一个方面。A n t o n i o s T o n t i s a k i s _ l 等人采用苯并 嗯嗪树脂、脂环族环氧树脂、液体聚合物增韧剂和线性酚醛树 脂按一定 比例混合,制备 了高性 能的 R T M树脂,并 通过 R T M工艺制
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- 碳纤维 增强 树脂 复合材料 研究进展
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