E-44环氧树脂体系流变特性研究

E-44环氧树脂体系流变特性研究

　　文　摘　以GA327改性芳胺为固化剂,对应用于RTM工艺的E-44环氧树脂体系的流变特性进行了研 究。在黏度实验和DSC热分析实验的基础上,依据双阿累尼乌斯方程建立了与实验数据较为吻合的流变模 型。结果表明:E-44/GA327体系在60~85℃内黏度低于800 mPa·s,且低黏度保持时间大于20 min,在75~ 85℃内黏度低于300 mPa·s的时间可达10 min。所得到的模型可揭示树脂在不同工艺条件下的黏度变化规 律,定量预报树脂的低黏度平台工艺窗口,为该树脂RTM工艺窗口的确定以及RTM工艺参数优化提供科学依 据。

　　关键词　复合材料,树脂传递模塑,环氧树脂,流变模型

　　0　引言

　　RTM工艺是目前液体复合材料成型工艺中发展 得比较迅速的一种先进复合材料成型工艺[1],并广 泛应用于航空航天、汽车以及民用建筑等各个领 域[2]。RTM的成功应用要以专用低黏度树脂体系为 基础,特别是树脂的化学流变行为应具有工艺所要求 的低黏度平台特性,即树脂体系在注入模腔时应有一 个保持一定时间的低黏度(不大于800 mPa·s)平台 以保证树脂充模过程的顺利进行和纤维/树脂的彻底 浸润[3~4]。通过建立树脂的化学流变模型,即建立黏 度同温度、时间或者转化率之间的函数关系,就可以 方便地预报任意温度、时间或转化率下的黏度,准确 地确定特定条件下的树脂低黏度平台,从而保证 RTM实施中树脂工艺参数的优化和最终的产品质 量[5]。

　　为了将E-44环氧树脂应用于RTM工艺制备复 合材料,就需要研究树脂体系的流变特性,也就是固 化特性和黏度特性,这是合理选择和优化工艺参数的 必要数据及理论基础[6]。本文以GA327改性芳胺为 固化剂,系统地研究应用于RTM工艺的E-44环氧 树脂体系的流变特性,并建立其黏度模型,为准确预 报工艺参数和保证产品质量提供必要的科学依据。

　　1　实验

　　1.1　材料及仪器

　　E-44环氧树脂为岳阳石油化工总厂环氧树脂 厂生产,固化剂为江苏宜兴江南药用化工厂的GA- 327改性芳胺。采用德国耐驰NETZSCH STA 449C 型DSC分析仪、上海地学仪器研究所的SNB-2数字 旋转黏度计以及可控温的油浴设备对树脂的反应特 性、动态黏度和恒温黏度进行实验研究。

　　1.2　实验内容

　　(1)采用DSC以5℃/min的升温速率扫描试样, 确定树脂固化反应的起始、峰值以及终止温度;

　　(2)采用旋转黏度计测量树脂体系在升温状态 下的黏度变化;

　　(3)根据树脂体系的DSC和动态黏度分析,选取 4个温度点测量恒温状态下的黏度。

　　2　结果及讨论

　　2. 1　DSC分析

　　GA327固化剂加入的比例为树脂质量的30%,E -44/GA327体系DSC曲线如图1所示,可以看出, 树脂体系在5℃/min的升温速率下,固化反应的起 始、峰值以及终止温度分别为96、164及243℃,是一 种较典型高温固化环氧树脂体系,且固化反应放热较 大(396 J/g)。

　　考虑到DSC测试所取的试样量(不到10 mg)与 实际工艺的树脂量不同,因此综合DSC结果和树脂 集中放热的影响,初步确定树脂的工艺温度应在 100℃以下才能满足RTM工艺注射时间的要求。

　　2.2　动态黏度特性

　　树脂体系的动态黏度实验曲线见图2。树脂体 系的黏度曲线呈U型曲线:开始阶段,温度升高,树 脂分子活动性增大,黏度下降;随着交联的进行,树脂 体系逐步形成交联网络结构,树脂黏度迅速上升,最 后形成固态结构。可以看出, E-44/GA327体系在 55~105℃,黏度保持在800 mPa·s以下。通过动态 黏度实验并结合DSC分析,在55~100℃确定等温黏 度实验温度点。

　　由图3可以看出,树脂的黏度变化是温度和时间 的函数。相对较高温度而言,在较低温度下黏度随时 间的增加变化趋势比较平缓。

　　2.4　化学流变模型

　　热固性树脂的黏度受温度和固化度变化的综合影 响。温度的升高有利于树脂分子链的运动,导致黏度降 低;固化度的提高使分子链运动受到阻碍,导致黏度升 高。这二者的综合影响可以由如下的方程表达[7~8]:

　　2.5　低黏度工艺窗口预报

　　由树脂的化学流变模型,可预测不同温度下的树 脂黏度特性,如图9所示。根据RTM工艺对树脂体 系的黏度要求,确定低黏度平台的黏度要求分别为 800、500、300 mPa·s,则E-44/GA327体系的低黏度 平台时间可由黏度模型较为准确地进行预报,预报结 果列于表2。从表2中选出黏度小于800 mPa·s,低 黏度保持时间大于20 min的温度为60、65、70、75、 80、85℃,因此, E-44/GA327体系在60~85℃可以 满足RTM工艺的基本要求,在75~85℃黏度低于 300 mPa·s的时间可达10 min以上,可满足那些纤维 体积分数高且结构尺寸较大的复合材料构件的RTM 工艺成型需要。

　　3　结论

　　(1)E-44/GA327体系的流变特性可用双阿累 尼乌斯方程进行描述,所建立的树脂化学流变模型与 实验结果具有良好的一致性。通过该模型可以较好 地预测树脂体系的黏度特性,为合理制定RTM工艺 参数提供必要的科学依据。

　　(2)E-44/GA327体系黏度特性研究表明,树脂 体系在60~85℃内可以满足RTM工艺的基本要求, 在75~85℃内黏度低于300 mPa·s的时间可达10 min以上,因此E-44/GA327体系最适宜的注射温 度为75~85℃。