王志超 柴國(guó)強(qiáng) 王志 張旭
摘 要:為研究碳纖維對(duì)環(huán)氧樹脂的阻燃性的影響,以高溫模壓的方法制備了碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,并研究了碳纖維的含量對(duì)該復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明:碳纖維的長(zhǎng)度在1-3mm時(shí),能夠容易地分散在環(huán)氧樹脂中,且當(dāng)碳纖維的含量為1.0wt%時(shí),試件的阻燃性能最佳。UL-94水平燃燒測(cè)試表明,該含量下的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的燃燒級(jí)別由FH-3提高到了FH-2。
關(guān)鍵詞:碳纖維;環(huán)氧樹脂;制備;水平燃燒測(cè)試
中圖分類號(hào):V258 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-2945(2017)25-0067-02
引言
環(huán)氧樹脂是目前應(yīng)用最為廣泛的熱固性樹脂之一,具有質(zhì)量輕、力學(xué)性能好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[1],因此被廣泛用于國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域[2],已成為航空航天復(fù)材體系中必備的基體材料之一[3]。碳纖維(CF),是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度的新型纖維材料,不僅具有一般纖維所共有的優(yōu)良性能,而且在纖維方向上有很高的抗張強(qiáng)度和模量[4]。
碳纖維復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn),以環(huán)氧樹脂為基體,碳纖維為增強(qiáng)材料,制備碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料對(duì)于發(fā)展我國(guó)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能熱固性樹脂基復(fù)合材料品牌,推動(dòng)我國(guó)航空航天等高尖端技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也具有重要意義[5-6]。本文采用超聲分散、溶液共混法將環(huán)氧樹脂(EP)作基體,碳纖維(CF)作添加劑,研究了阻燃環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法,通過UL-94水平燃燒對(duì)材料的阻燃性能進(jìn)行了測(cè)試表征。
1 實(shí)驗(yàn)原料
環(huán)氧樹脂,美國(guó)亨斯邁集團(tuán);固化劑,美國(guó)亨斯邁集團(tuán);模具若干,深圳市凱杰五金塑膠制品有限公司;CF,日本東麗公司;濃硝酸,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無水乙醇,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
2 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備
2.1 碳纖維的氧化處理
將未剪切的碳纖維全部放到濃硝酸中,隨后用蒸餾水對(duì)浸泡過后的碳纖維進(jìn)行反復(fù)清洗,使其PH值到中性。最后將其放于鼓風(fēng)干燥箱中,調(diào)至溫度為95℃進(jìn)行烘干。烘干恒重后,剪切至1-3mm長(zhǎng)。
2.2 實(shí)驗(yàn)步驟
以制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為例,制備過程如下:
(1)使用電子天平稱取所需材料用量,先稱取0.6g碳纖
維,用鑷子每次夾取少量碳纖維放到濾紙上,直到屏幕上顯示0.6000g(0.02g)為止,取出濾紙和碳纖維。再用同樣的方法稱取剩余幾種材料。
(2)將稱取好的0.6g碳纖維,0.072g分散劑,150ml乙酸
乙酯,1.8g硅烷偶聯(lián)劑分別放入燒杯中,用玻璃棒進(jìn)行攪拌。隨后將其放入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行超聲分散60min。接著將稱取好的60g環(huán)氧樹脂倒入燒杯中,并用玻璃棒攪拌均勻,再超聲分散30min。
(3)將裝有分散好的混合溶液放入電熱恒溫水浴鍋中,直至溶劑較完全揮發(fā)掉為止。
(4)將混合液進(jìn)行脫泡處理1小時(shí),排出混合溶液中的氣體。
(5)將20.4g固化劑倒入上述混合溶液中,并攪拌均勻,將混合液澆注到模具中。最后將其放入鼓風(fēng)干燥箱中。
(6)4小時(shí)候后,取出模具,冷卻脫模。
制備的試件符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的如圖1所示,由圖可以看出材料表面比較光滑,碳纖維分布相對(duì)較為均勻。
3 水平燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
水平燃燒測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的用小火焰點(diǎn)燃水平放置的材料,通過測(cè)量線性燃燒速度或者燒損長(zhǎng)度、燃燒顆粒滴落情況來評(píng)判材料的燃燒性能。其中材料的燃燒級(jí)別由高到低依次為FH-1、FH-2、FH-3、FH-4。
根據(jù)GB/T2408-1996塑料燃燒性能試驗(yàn)方法,選取三個(gè)有效試樣,并取平均值,得到下表不同含量的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料水平燃燒測(cè)試數(shù)據(jù)及現(xiàn)象。由表可知,環(huán)氧樹脂的燃燒速度為最大,達(dá)到了30mm/min,且燃燒過程中伴有大量的融滴滴落,自熄性很差。當(dāng)碳纖維含量為0.5%時(shí),環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的燃燒速度減小到了22.45mm/min,降低了25.2%。當(dāng)碳纖維含量為0.7%時(shí),環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的燃燒速度減小到了19.6 mm/min,降低了34.7%。當(dāng)碳纖維含量為1.0%時(shí),環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的沒有燃燒到預(yù)先標(biāo)定的100mm處,此時(shí)燒損長(zhǎng)度為70mm,燃燒級(jí)別由FH-3提升到了FH-2,且此時(shí)復(fù)材沒有融滴的滴落,而是表現(xiàn)為殘?zhí)嫉拿撀?,說明碳纖維有效抑制了材料燃燒的擴(kuò)散速度,并在一定程度上改善了其自熄性能。而當(dāng)碳纖維含量為1.5%時(shí),材料的水平燃燒速度有所變大,這表明材料的阻燃性能開始下降,可能是由于隨著碳纖維含量的增多,其在環(huán)氧樹脂中難以分散均勻,在其內(nèi)部可能形成較多的氣孔等缺陷。
4 結(jié)束語
通過對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及性能分析,結(jié)果表明:
(1)碳纖維/環(huán)氧樹脂的制備過程需要良好的溫度和時(shí)間控制。
(2)碳纖維的長(zhǎng)度直接影響試件的制備,當(dāng)碳纖維的長(zhǎng)度為1-3mm時(shí),可以較成功地完成標(biāo)準(zhǔn)試件的制備。
(3)碳纖維的含量是影響
試件阻燃性能的主要因素。當(dāng)碳纖維含量為1.0%時(shí),其阻燃效果最佳。
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