环氧树脂基复合材料

环氧树脂基复合材料

1.前言

环氧树脂是聚合物基复合材料中应用最广泛的热固性树脂之一，对环氧树脂的改性及应用技术研究也一直没有停止过。环氧树脂是先进复合材料应用最广泛的树脂体系。它可以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用于不同的生产工艺。它的存储寿命长，固化不释放出挥发物，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发展。

2.环氧树脂简介

2.1环氧树脂的性质

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。环氧树脂具有以下的性质：

(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) 附着力强。环氧树脂固化体系中含有活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团，赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材等极性基材以优良的附着力。

(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/℃。所以固化后体积变化不大。

(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。能与各种固化剂配合制造无溶剂、高固体、粉末涂料及水性涂料等环保型涂料。(5) 优良的电绝缘性。环氧树脂是热固性树脂中介电性能最好的品种之一。

(6) 稳定性好，抗化学药品性优良。不含碱、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。因此环氧树脂大量用作防腐蚀底漆，又因环氧树脂固化物呈三维网状结构，又能耐油类等的浸渍，大量应用于油槽、油轮、飞机的整体油箱内壁衬里等。

(7) 环氧固化物的耐热性一般为80～100℃。环氧树脂的耐热品种可达200℃或更高。

根据分子结构，环氧树脂大体上可分为五大类：1.缩水甘油醚类环氧树脂 2.缩水甘油酯类环氧树脂 3.缩水甘油胺类环氧树脂 4.线型脂肪族类环氧树脂 5.

脂环族类环氧树脂。

2.2环氧树脂的应用

2.2.1国外的应用现状

世界环氧树脂生产，主要由Shell、Dow、Ciba三大巨头所垄断，另外日本的东都化成、大日本油墨、日本环氧树脂制造公司，韩国的国都化学（与日本东都化成合资）等几家以其先进的生产工艺在世界环氧行业中亦占令人瞩目的一席之地。

2.2.2 国内的应用现状

(1) 汽车工业：是我国四大支柱产业之一，且汽车需求量越来越大，与之配套的电泳漆需环氧树脂，到2000年约1万吨，另外维修用漆亦需环氧。

(2)船舶、海洋工业：我国是海洋大国，造船大国，21世纪是海洋的世纪。船舶、码头设施、海上建筑、钻井平台、输油管道、海水养殖设施等等，需要大量的环氧涂料（防腐、防海洋生物污染）。专家预测，2000年我国海洋涂料需4万t，其中大部分是环氧防腐涂料。

(3)电力工业：我国电力工业规模宏大，且正处于迅速发展阶段，所用环氧正以每年60%的增幅扩大。此领域从发电、输变电到用电都需要环氧，如绝缘材料、干式变压器、开关、互感器、水利、水电工程。仅三峡工程就需环氧近2万t。

(4)电子工业：为我国四大支柱产业之一，发展迅猛。“九五”投资是“八五”投资的1200%。预计2000年，仅溴化环氧一项，即需2万t。

(5)集装箱工业：我国集装箱工业发展迅猛，已成为世界主要集装箱生产基地（占

世界总量的10%～15%）。预计2000年，集装箱用涂料需3～4万t，其中主要是环氧树脂。

(6)食品罐工业：随着生活水平的提高，食品罐头、食品贮存容器制造业持续高速发展，罐头涂料需要越来越多的环氧树脂。

(7) 就地区来说，长江以南环氧树脂消费异常活跃，而长江以北消费迟钝。因此，随着经济的发展，长江以北特别是东北地区必然是环氧树脂的巨大的潜在市场。

(8) 就环氧树脂的品种来说，环氧粉末涂料、水性环氧涂料前途无量。此两者是环氧涂料发展的主流。中国是世界第四大粉末涂料生产国，也是亚洲最大的粉末涂料生产国。我国政府已把粉末涂料和水性涂料确定为今后优先发展品种，而水性环氧涂料又在水性涂料行业中占重要地位。

3.环氧树脂基复合材料的制备

3.1制备方案

3.1.1 环氧树脂的选择

环氧树脂大体上可分为五大类：1.缩水甘油醚类环氧树脂 2.缩水甘油酯类环氧树脂3.缩水甘油胺类环氧树脂 4.线型脂肪族类环氧树脂 5.脂环族类环氧树脂。上述五大类的环氧树脂中各自都有优异的性能，在文献查阅中，复合材料中所用树脂基为：甲醛酚醛环氧树脂。双酚A甲醛酚醛环氧树脂(bis一ANER)是一种多官能度的固体环氧树脂，兼有酚醛和环氧的性能，固化后可形成交联密度较高的网状结构，具有高强、耐热等优点，可以用作电子封装材料和纤维增强复合材料的基体树脂。

3.1.2 填充物的选择

复合材料的增强体的选择有很多方式，具体有弥散增强、颗粒增强、长纤维增强、短纤维增强。弥散强化指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段。强化相弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料在高温下的力学性能。为此，对弥散强化微粒有如下要求：微粒尺寸要尽可能小(0.01～0.05μm)，微粒的间距要达到最佳程度（0.1～0.5μm）,在基体中分布要均匀；此外，微粒与基体金属不相互作用，在高温下微粒相互集聚的倾向性要小。这样就能使材料在直至接近熔点的高温下，即采用合金化和热处理已