氰酸脂树脂的性质及其应用

氰酸酯树脂的性质及其应用摘要：介绍了氰酸酯树脂的性能、反应特性，重点综述了氰酸酯树脂基复合材料在机舱潜艇防火结构及卫星结构和空间光学系统结构等方面的应用情况及发展前景。

关键词：氰酸酯树脂性质应用树脂基复合材料也称纤维增强塑料，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。

这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。

以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢。

自20世纪70年代后相继开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料(AdvaJlced Complosite Materi．als，简称AcM)。

这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。

如美国全部用碳纤维复合材料制成了8座商用飞机——里尔芳2100号；哥伦比亚号航天飞机用碳纤维／环氧树脂制作长18．2 m、宽4．6 m的主货舱门，用凯芙拉纤维／环氧树脂制造各种压力容器；用先进复合材料作为主承力结构制造了可载80人的波音一767大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。

复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟这对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。

氰酸酯树脂是20世纪80年代开发出来的一类高性能树脂。

由于其具有优良的耐湿热性及介电性能，已被视为最有发展前途的新一代雷达天线罩用夹层复合材料的面板树脂材料。

研究表明，氰酸酯树脂的收缩率较低，介电损耗角正切值很低，仅为0．002～o．008，介电常数为2．8～3．2，具有优良的黏结性和良氰酸酯树脂面板夹层结构复合材料、面板及芯材的吸湿特性进行了研究，并且对其湿热处理前后面板、芯材及整体夹层材料的介电性能变化进行了研究，初步分析了其产生优良介电性能与耐湿热性的原因。

1. 氰酸酯树脂的性质氰酸酯树脂是一类含2个以上氰酸酯官能团(一O一C三N)的新型基体树脂，氰酸酯树脂性能主要包括：力学性能、介电性能、吸湿特性。

1.1 力学性能对原始干态及经过480h，70℃，85％RH湿热处理的氰酸酯树脂夹层材料试样进行力学性能的测试。

分别对不同夹层结构材料的长梁弯曲、短梁弯曲及压缩性能进行了测试。

长梁弯曲实验主要测试的是夹层材料的面板强度，短梁弯曲实验测试夹层材料芯材的剪切强度，压缩实验测试夹层结构材料芯材的压缩强度。

实验结果取5个试样测试结果的平均值，并计算标准差。

对使用铝箔封边后的氰酸酯夹层复合材料进行湿热处理，处理条件为70℃，85％RH，480h，对其进行长梁弯曲实验，同时对未经处理的夹层结构复合材料进行测试，氰酸酯树脂夹层复合材料的面板剪切强度受到湿热环境的明显影响，其强度由39．8MPa降至36．6MPa，强度保持率约为91．2％，具有较好的力学性能耐湿热性。

由此可见，经过湿热处理后，夹层材料的芯材剪切强度有了一定程度的下降，其值由0．270MPa降至0．257MPa，但是，其湿热后强度保持率高达95．3％，远高于传统环氧树脂面板材料。

生此种结果的原因主要有两方面：一是由于氰酸酯夹层复合材料的面板为氰酸酯树脂，它具有优异的耐湿热性，在材料吸湿特性研究部分已发现氰酸酯树脂面板会给夹层材料内部的蜂窝提供更好的保护，以保证其经过湿热处理后较高的强度保持率。

除此之外，由吸湿特性研究结果表明，蜂窝本身具有优良的耐湿热性。

而氰酸酯夹层复合材料的芯材压缩强度受到湿热环境的影响，其压缩强度由0．692MPa降至0．663MPa，强度保持率约为93．33％。

由夹层材料力学性能耐湿热性研究结果可见，湿热环境不会对氰酸酯夹层复合材料的力学性能产生明显的负面影响。

氰酸酯树脂(CE)是含有2个或2个以上氰酸酯官能团(一OCN)的新型高性能介电功能树脂基体，其极低的介电损耗角正切值(0．002～0．005)、耐热，湿热性能(r产260 oC)、良好的综合力学性能以及成型工艺性n63使之作为介电功能复合材料树脂基体在航空、航天和电子工业领域的应用备受瞩目。

但由于CE固化物较脆且价格较高也限制了其广泛应用。

因此研究人员采取各种方法对其改性，其中环氧树脂改性氰酸酯树脂体系受到人们的重视。

然而环氧树脂的介电性能和耐湿热性较差，在改善氰酸酯树脂韧性、降低成本的同时，损失了其优异的介电性能和耐湿热性能。

线形酚醛树脂的介电性能和耐热性均优于环氧树脂，且它即可与氰酸酯反应又可与环氧树脂反应，得到优异综合性能。

体系的力学性能有很大提高，弯曲强度比纯BADCy体系提高了12％；层问剪切强度比纯BADCy体系提高了30％。

图1为体系中氰酸酯树脂质量分数为70％，改变环氧树脂和线形酚醛树脂的用量，得到的弯曲强度和层间剪切强度曲线。

由图l可以看出，随线形酚醛树脂含量的增加，复合材料的弯曲强度先增加后基本不变；而层问剪切强度呈先增加后下降的趋势；当环氧树脂和线性酚醛树脂质量分数均为15％时，复合材料的弯曲强度和层间剪切强度均达到最大。

1.2 介电性能对氰酸酯树脂夹层复合材料、面板及芯材在70℃，85％RH的条件下处理480h，而后对其进行了介电性能的测试。

采用北京航空材料研究院的8722ES型矢量网络分析仪对其介电常数和介电损耗角正切进行测试。

测试试样为直径61mm的圆形试样，测试频率为7～18GHz，测试温度为20℃。

对未经与经过湿热处理的夹层材料进行了介电性能测试，测试频率范围为7～18GHz，其介电常数与损耗角正切实验结果，氰酸酯夹层复合材料，其损耗角正切在较高与较低的测试频率下均具有较高的数值，在测试频率为10GHz时，达到最小值，为0．0352。

其介电常数在不同的测试频率下有一定的变化，但是变化幅度并不大。

由于氰酸酯树脂本身及蜂窝良好的介电性能使得夹层复合材料总的介电性能优良。

经过湿热处理后，氰酸酯夹层复合材料的介电性能产生了一定的变化，其损耗角正切(tan占)增加了约0．002，而介电常数增加了约0．08。

考虑到测试环境较苛刻，因此，这样的改变并不明显，因此，结果表明，氰酸酯夹层复合材料具有良好的介电性能与耐湿热性。

为了进一步研究湿热环境对氰酸酯夹层复合材料介电性能的影响，分别对其面板与芯材进行了介电性能的测试，未经湿热处理的氰酸酯夹层复合材料的介电性能适中，其损耗角正切约为0．2，介电常数约为5．0，均高于其他类型的环氧树脂面板，这表明，与环氧树脂相比，其在介电性能上并未体现出优势。

经过湿热处理后，氰酸酯夹层复合材料板的介电性能会产生一定的变化，在损耗角正切上，从0．02左右增加到了0．025左右，有了一定的增加，而在整个测试频段下的变化较均匀。

在介电常数上，有了一定程度的降低，造成这种变化的具体原因还有待研究。

结果表明，氰酸酯树脂具有优良的介电性能与耐湿热性，在湿热环境下工作，其介电性能不受影响会对材料的实际使用及初期设计带来很多的优点。

氰酸酯夹层复合材料芯材的介电性能明显优于面板材料，其损耗角正切(tanS)约为0．006，介电常数(e)约为1．15，均远低于面板材料干态介电性能。

由此可见，在夹层材料中，对其介电性能起决定作用的是面板材料的介电性能。

经过湿热处理后，氰酸酯夹层复合材料芯材的介电性能受到了一定的负面影响，例如，在10GHz频率上，ta时由0．00626增加到了0．00896，但是，这样的增加幅度并不大。

在介电常数上，湿热处理也对夹层材料芯材产生了一定影响，但是增幅仅为0．002。

由此可见，本研究蜂窝良好的介电性能与耐湿热性的共同作用。

氰酸酯树脂改性环氧树脂所存在的最大问题是损失了氰酸酯树脂本身优异的介电性能。

而对于航空、航天领域应用的透波材料等介电功能结构材料来说，优异的介电性能是不可缺少的条件。

可以选用本身介电性能优异的线形酚醛树脂与环氧树脂一起改性氰酸酯树脂。

研究表明，线形酚醛树脂的加入使固化反应完全，交联网络致密，固化树脂的极性降低，加之酚醛树脂本身优良的介电性能使复合材料的介电常数和介电损耗角正切值随线形酚醛树脂含量的增加而降低。

1.3 吸湿特性根据ASTM D5229／5229M具体标准的要求，选择湿热处理温度为70℃，85％相对湿度对夹层复合材料进行处理。

首先，在70。

C对待测材料进行烘干处理，而后称重，并用铝箔对夹层材料进行封边处理。

以24h为时间间隔对夹层复合材料整体、面板及芯材的吸湿增重量进行测试，并绘制吸湿增重曲线。

对氰酸酯树脂夹层材料、面板及芯材分别进行了480，336h的湿热处理，具体的材料吸湿增重实验结果随着湿热处理时间的延长，氰酸酯树脂夹层复合材料的吸湿增重率不断增加。

在湿热处理的前96h内，其吸湿增重率增加较为平缓，到144h后，达到吸湿饱和，其饱和吸湿率约为1．6％，与传统的环氧树脂夹层复合材料的吸湿特性相比，具有优良的耐湿热性。

除此之外，夹层材料所使用的氰酸酯树脂面板表现出了优异的耐湿热性，经过48h 后其达到吸湿饱和，饱和吸湿率约为1．2％，远低于环氧树脂面板的饱和吸湿率。

对于夹层材料的芯材，随着湿热处理时间的延长，氰酸酯夹层复合材料的芯材吸湿增重率不断增加。

芯材具有优良的耐湿热性，其吸湿平衡时间为96h，饱和吸湿率约为3．3％。

对于氰酸酯夹层复合材料来说，其产生较低的饱和吸湿率的原因是其面板材料为氰酸酯树脂玻纤复合材料，其优异的耐湿热性使得夹层材料内部的芯材得到了较好的保护，在夹层材料中，内部蜂格孑L中的湿度会明显影响蜂窝材料的吸湿特性。

由此可见，氰酸酯树脂面板对夹层材料的芯材形成很好的保护，防止水汽与其接触，从而减弱吸湿增重。

1.4 固化反应条件对反应产物性能的影响不同催化剂得到的固化物组成有差异，这可能是在氰酸酯固化环氧树脂的过程中存在各种反应，而催化剂对各种反应的促进作用不同，从而改变了生成物的组成，影响树脂固化物的力学性能及其热稳定性。

了解催化剂的催化活性和对反应产物的影响，对生产实践具有重要意义。

郭宝春等¨龇研究了环烷酸钴催化剂对双酚A二氰酸酯酚醛／环氧树脂混合物结构与性能的影响，研究表明，催化剂可使混合物中三嗪环和恶唑烷酮的相对含量下降，但催化剂对混合物的力学性能影响不大。

相对来说，物料比对反应产物的影响比较简单。

陈平驯认为氰酸酯适量和过量时，产物结构主要是三嗪环和恶唑烷酮，环氧树脂过量时产物结构主要是聚醚和恶唑烷酮。

随着共固化反应体系中氰酸酯含量增加，共固化产物中三嗪环结构含量增加，聚醚结构减少，玻璃化转变温度升高，耐热性能和介电性能提高。

Manin认为，在氰酸酯过量的情况下，有很少的恶唑烷酮生成，同时有恶唑啉生成；在环氧树脂过量的情况下，生成的恶唑烷酮较多。