水性环氧分散剂体系及短切碳纤维取向毡的制备与表征研究

摘要

随着碳纤维增强聚合物基复合材料在航空、航天等领域的大量应用，相关废弃物的总量已经达到了一个不可忽视的程度，从环保角度和经济角度考量，对碳纤维的回收和再利用成为了一个迫在眉睫的问题。如何更加高效环保的利用回收碳纤维成为了今后国内外研究人员关注的重点。本论文采用化学接枝改性的方法成功制备了一系列水性环氧乳液和与之配套水性固化剂，并系统研究了二者组成体系的固化动力学行为，在此基础上以二者组成体系为回收碳纤维的高效分散介质，基于流场法原理建立了“一步法”制备短切碳纤维/环氧树脂取向毡的科学方法，主要工作内容如下:
　　1、系统研究了聚乙二醇(PEG)对环氧树脂(EP)进行亲水性接枝改性的影响因素，并成功制备了接枝产物，并以其为高分子乳化剂考察了获得高性能水性环氧乳液的影响因素。采用盐酸-丙酮法对接枝反应进程中环氧值的变化进行监测，通过红外和凝胶渗透色谱对醚化产物进行结构表征，采用纳米粒度测定仪和扫描电镜(SEM)对乳液粒径大小和形貌进行了观察。测试结果表明:醚化产物制备工艺是以过硫酸钾(K2S2O8)作催化剂，反应温度为120℃，反应时间为6h;采用PEG-4000进行改性得到的产物乳化效果最佳;乳化工艺:外加乳化剂含量为15％，高分子乳化剂含量为50％，乳化时间控制在30min左右;通过粒径测试和扫描电镜照片分析，乳液粒子在270nm左右，常温下和高温(50℃)下从储存稳定性良好。
　　2、系统研究了PEG对二氨基二苯砜(DDS)进行水性化改性的影响因素，并成功制备了水性固化剂。采用红外和凝胶渗透色谱、高氯酸非水滴定法、差示扫描量热测试(DSC)和热失重(TG)等表征手段对获得的水性固化剂产物的化学结构表、总胺值、固化放热情况和热稳定性能等进行了一系列表征。测试结果表明:采用PEG-4000对DDS进行接枝改性，催化工艺为用量为0.5％的催化剂-三氟化硼乙醚络合物，在50℃下进行接枝反应;改性之前DDS胺值为114.59，改性之后总胺值达到了203.22;改性固化剂的固化放热温度逐渐降低，降幅都在100℃以上，DDS固化放热峰值温度为237.62℃，PEG-4000的固化放热峰值温度为102.80℃处;采用分子量分别为1000、2000、4000的聚醚多元醇对DDS进行改性后的热分解温度分别为254℃、324℃、382℃。
　　3、利用非等温DSC法，采用唯象模型中的n级模型，研究了聚醚多元醇对EP/DDS体系固化机理和活化能的影响规律。结果表明:相比较于EP/DDS体系，PEG的加入，降低了树脂体系固化反应的活化能，达到了对DDS活化的目的，改善了固化工艺，主要是因为PEG中大量存在的柔性聚醚链段降低了固化剂分子空间位阻的原因。
　　4、系统研究了基于水性环氧分散体系的短切碳纤维取向毡的制备方法。采用旋转流变仪、SEM、二阶的取向张量法、TG等对短切碳纤维悬浮液粘度、取向毡的纤维取向情况和表观形貌、取向毡中纤维的量化取向度及含量等进行了表征。结果表明:以水性环氧体系为分散介质，加入10％的去离子水进行粘度调控、粘度在1500mPa·s左右，纤维分散性最好;随着纤维毡层数的增加，取向毡中纤维的取向程度和纤维的含量在一定程度上有所增加;纤维在沿着流场取向方向±15°范围内，纤维的取向度在80％左右。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 水性环氧树脂

1．2．1 水性环氧树脂简介

1．2．2 水性环氧树脂的应用

1．2．3 水性环氧树脂的制备

1．2．4 水性环氧树脂的研究进展

1．3 水性环氧树脂固化剂

1．3．1 环氧树脂固化剂

1．3．2 水性环氧树脂固化剂分类

1．3．3 水性环氧树脂固化剂的研究进展

1．4 固化动力学研究

1．5 取向短切纤维在复合材料中的应用发展

1．6 课题研究内容及意义

第二章 水性环氧乳液的制备与表征

2．1 实验部分

2．1．1 实验原理

2．1．2 实验原料

2．1．3 实验设备和仪器

2．1．4 聚乙二醇接枝改性环氧树脂乳液的制备流程

2．2 测试和表征

2．2．1 环氧值的监测与滴定

2．2．3 聚醚接枝产物的凝胶渗透色谱(GPC)结构表征

2．2．4 水性环氧乳液的稳定性和乳液形貌大小的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 接枝醚化反应催化条件的优化

2．3．2 反应时间对接枝产物环氧值的影响

2．3．3 聚乙二醇分子量对乳液结果的影响

2．3．4 接枝产物红外光谱分析

2．3．5 接枝产物的GPC结果分析

2．3．6 水性环氧乳液树脂基体的优化分析

2．3．7 乳化工艺对乳液粒径的影响分析

2．3．8 水性环氧乳液粒子扫描电镜结果分析

2．3．9 水性环氧乳液Zeta电位结果分析

2．3．10 水性环氧乳液稳定性的表征结果分析

2．4 本章小结

第三章 水性固化剂的制备与表征

3．1 实验部分

3．1．1 实验原理

3．1．2 实验原料

3．1．3 实验设备和仪器

3．1．4 聚醚接枝改性DDS水性固化剂的制备流程

3．2 测试和表征

3．2．1 红外光谱(FTIR)结构表征

3．2．2 凝胶渗透色谱(GPC)结构表征

3．2．3 胺值的滴定

3．2．4 差示扫描量热测试(DSC)

3．2．5 热失重(TG)测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 水性固化剂合成的影响因素探讨

3．3．2 水性固化剂的结构表征

3．3．3 水性固化剂的性能表征

3．4 本章小结

第四章 水性环氧／水性固化剂体系固化动力学研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验设备和仪器

4．1．3 实验步骤

4．2 测试和表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 固化剂改性前后树脂体系的固化DSC曲线分析

4．3．2 固化动力学方程的确定

4．3．3 固化剂改性前后树脂体系的固化度和温度关系曲线分析

4．3．4 固化剂改性前后树脂体系的固化速率和固化度关系曲线分析

4．3．5 固化剂改性前后树脂体系的活化能和固化度关系曲线分析

4．3．6 固化剂改性前后树脂体系的等固化度曲线分析

4．4 本章小结

第五章 基于水性分散体系的碳纤维取向毡制备与表征

5．1 实验部分

5．1．1 实验原理

5．1．2 实验原料

5．1．3 实验设备和仪器

5．1．4 实验步骤

5．2 测试和表征

5．2．1 短切碳纤维悬浮液粘度的测试

5．2．2 短切碳纤维取向毡电子数码照片表征

5．2．3 短切碳纤维取向毡扫描电子显微镜(SEM)表征

5．2．4 短切碳纤维取向毡纤维取向度定量表征

5．2．5 短切碳纤维取向毡纤维含量的表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 短切碳纤维悬浮液粘度测试结果分析

5．3．2 短切碳纤维取向毡数码照片分析

5．3．3 短切碳纤维取向毡SEM照片分析

5．3．4 短切碳纤维取向毡取向度的量化表征

5．3．5 短切碳纤维取向毡纤维含量的表征

5．4 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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导师简介