模压成型纤维增强环氧片状模塑料的研究

摘要

环氧片状模塑料（ESMC）是在不饱和聚酯树脂片状模塑料（SMC）的基础上研究出来的一种新型模压料，可应用于高强度、高腐蚀、高绝缘部件的生产。而ESMC的增稠体系和固化体系是制约ESMC发展的关键因素。目前国内外的环氧树脂存在粘度太大不易浸润纤维、无法化学增稠、固化时间长等缺点，难以满足模压工艺要求。因此迫切需要对环氧片状模塑料的增稠体系、固化体系和流变体系进行深入的理论和实验研究，以制备适合模压工艺生产的环氧基片状型模压材料，拓展模压制品的使用领域。 针对ESMC的树脂体系，本文采用“二步法”合成出了一种粘度较低、可化学增稠的低分子量环氧树脂，并使用Gaussian03量子化学软件，采用DFT方法，利用量子化学中的价键理论和分子轨道理论分析阐释其合成机理，揭示其微观反应本质，为环氧树脂的合成提供了理论依据。 利用MgO和α-甲基丙烯酸混合物、二异氰酸酯预聚物可与含羟基环氧树脂发生化学反应的原理，采用控制反应温度和反应物含量的方法来增稠环氧树脂。并通过傅立叶红外光谱和差热式扫描分析方法对环氧树脂的增稠进行了表征，探讨了环氧树脂的化学增稠机理。结果表明，在MgO和α-甲基丙烯酸混合体系中，α-甲基丙烯酸中的端羧基先与氧化镁进行的一种酸碱成盐反应，这种酸碱成盐反应伴随着大量的放热，放出的热量在MgO这种催化剂的影响下又促进了α-甲基丙烯酸中的端羧基与环氧树脂发生酯化反应，进而达到增稠的目的；对于二异氰酸酯预聚物体系，在较低温度（<50℃）的情况下，环氧树脂中的羟基与异氰酸酯基反应生成氨基甲酸酯结构；在温度超过90℃的情况下异氰酸酯基会发生自聚反应，生成含六元杂环的异氰脲酸酯；在更高的温度下（≥210℃）环氧基与异氰酸酯基反应生成含五元杂环的噁唑烷酮。随着反应继续进行，分子链进一步扩展形成网状结构，体系的粘度不断的增加。 针对ESMC固化体系，本文将环氧树脂液体型快速固化剂包囊在微小的（5-500u）胶囊中，制备出室温不固化、升温可快速固化的环氧树脂潜伏性微胶囊固化剂。分别通过测试ESMC体系等温DSC曲线和升温DSC曲线，建立了分步等温动力学理论模型和升温动力学理论模型。通过等温模型确立了环氧片状模塑料的固化工艺：凝胶温度（Tgel），固化温度（Tcure），后处理温度（Ttreat）。通过升温模型计算出了引发体系温度和转化率的关系，并得到了ESMC固化过程特征温度参数：峰始温度（To），峰值温度（Tp），峰终温度（Tf）。 本文结合增稠体系和固化体系，确立了ESMC的片材生产工艺和模压工艺。ESMC片材制备工艺主要分为四个步骤：①树脂糊的制备与上糊；②粗纱的切割与沉降；③粗纱的浸渍与片材收卷；④片材熟化与存放。而ESMC的最佳模压工艺参数为：模压温度150℃、加压时机15s、模压时间15s、保压时间30min。 而针对ESMC的流变特性，本文开展了片材流动性、纤维分布和纤维取向研究，其中的关键影响因素主要有纤维含量和长度、填料的含量和粒径、模压温度、保压时间、铺料面积和闭模速度等。同时以现有的Hele-shaw模型和滑移挤压流动模型为基准，建立了适合于环氧片状模塑料在热模具中的数学流动模型和传热模型。为ESMC的流动特性研究提供了理论依据。 最后，本文对ESMC制品的结构与性能进行了分析研究。研究表明制品在各流动方向上的弯曲强度有很显著的差别。当纤维含量为30%，长度为24mm；填料含量为150份，粒径为500目；模压温度为150℃，加压时机为15s，合模时间为15s，保压时间30min为时，ESMC综合力学性能最佳。而且纤维含量和长度、填料种类、含量和粒径对ESMC的体积电阻、介电特性、耐电弧特性和漏电起痕特性也具有显著影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 引言

1.2模压成型工艺的原理及过程

1.2.1.模压成型的原理

1.2.2模压成型过程

1.2.3模压工艺的优缺点

1.3片状型模塑料的特点和应用

1.4片状型模塑料的研究现状

1.5片状模塑料的研究重点和方法

1.5.1增稠体系的研究

1.5.2固化体系的研究

1.5.3模塑料热流变性能研究

1.5.4模压工艺参数

1.6本课题研究背景、特色和研究内容

1.6.1研究背景

1.6.2技术路线和特色

1.6.3主要研究内容

第2章模压用环氧树脂的制备及表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验原料与试剂

2.2.2实验仪器

2.2.3低粘度可化学增稠环氧树脂分子结构设计

2.2.4低粘度双酚A环氧树脂(EP-LM)的合成

2.2.5环氧树脂的表征

2.3结果与讨论

2.3.1.低粘度双酚A环氧树脂EP—LM的合成机理

2.3.2低粘度双酚A环氧树脂EP—LM的表征

2.3.3低粘度双酚A环氧树脂EP-LM合成机理的量子化学分析

2.4小结

第3章环氧片状模塑料的增稠特性研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验原料与试剂

3.2.2实验仪器

3.2.3异氰酸酯预聚体的合成

3.2.4环氧树脂的增稠

3.2.5粘度测试

3.2.6差示扫描量热法(DSC)分析

3.2.7红外光谱(FTIR)分析

3.3结果与讨论

3.3.1α-甲基丙烯酸对环氧树脂的增稠

3.3.2温度对环氧树脂增稠的影响

3.3.3 MgO用量对环氧树脂增稠的影响

3.3.4红外光谱(FTlR)对环氧树脂增稠的表征

3.3.5 TDI用量对环氧树脂增稠的影响

3.3.6异氰酸酯预聚体分子量对环氧树脂增稠的影响

3.3.7温度对异氰酸酯化合物/环氧树脂增稠体系的影响

3.3.8差示扫描量热法(DSC)对环氧树脂增稠反应的表征

3.3.9红外光谱(FTIR)对环氧树脂增稠的表征

3.3.10异氰酸酯增稠环氧树脂的机理

3.4 小结

第4章环氧片状模塑料中温快速固化体系研究

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1.实验原料

4.2.2实验仪器

4.2.3微胶囊的制备

4.2.4环氧树脂浇注体的制备

4.2.5材料测试

4.3结果与讨论

4.3.1微胶囊的形貌观察

4.3.2微胶囊成分分析

4.3.3包埋率的确定

4.3.4固化工艺的确定

4.3.5环氧树脂的固化

4.3.6环氧树脂微胶囊固化动力学的研究

4.3.7各步固化反应的固化度分析

4.4小结

第5章ESMC的片材制备工艺及模压工艺研究

5.1.引言

5.2实验部分

5.2.1实验仪器

5.2.2 ESMC模塑料片材制备

5.2.3 ESMC制品的压制

5.2.4 ESMC模塑料片材质量检测

5.3结果与讨论

5.3.1片材制备工艺

5.3.2制品模压工艺

5.4小结

第6章ESMC的热流变特性及热传导研究

6.1引言

6.2试验

6.3结果与讨论

6.3.1 ESMC的流动模型

6.3.2 ESMC的流动性

6.3.3 ESMC流动性的影响因素

6.3.4纤维分布的影响因素

6.3.5纤维取向研究

6.3.6 ESMC的热传导

6.4小结

第7章环氧片状模塑料结构与性能研究

7.1引言

7.2试验

7.3结果与讨论

7.3.1物理机械性能分析

7.3.2电性能分析

7.4小结

第8章结论和展望

8.1结论

8.2展望和下一步考虑

参考文献

致谢

攻读学位期间所发表论文和专利目录