環(huán)氧復合材料低溫固化劑研究進展

   (1.西北工業(yè)大學理學院應用化學系，陜西西安710072;2.西安百衡伯仲復合材料公司，陜西西安710082)
    摘要：低溫固化(固化溫度低于100℃)可獲得高尺寸穩(wěn)定性、低成本、力學性能優(yōu)良的環(huán)氧復合材料，室溫儲存期長的低溫固化劑體系是低溫固化環(huán)氧復合材料的關鍵。重點探討了微膠囊型、潛伏性以及其它改性環(huán)氧低溫固化劑，展望了其未來前景及發(fā)展方向。
    關鍵詞：環(huán)氧樹脂;低溫固化劑;室溫儲存期;改性咪哩;微膠囊固化劑
    中圖分類號:TQ314.256文獻標識碼:A文章編號:1004一2849(2007)01一0044一05
    0前言
    環(huán)氧樹脂是一種性能優(yōu)異的熱固性樹脂，力學性能優(yōu)異，耐化學腐蝕性好，樹脂固化物無毒性，和玻璃纖維之間粘接性好，成型加工方便，是用量最大的先進復合材料基體，在眾多行業(yè)得到廣泛應用。為獲得力學及耐熱性能優(yōu)良的環(huán)氧固化產(chǎn)物，常需高溫下固化llj。但高溫使得制品材料產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，影響尺寸精度控制，嚴重時會導致材料提前破壞;同時，高溫固化會造成制品芯模、模具等輔助材料選材范圍窄，制造工藝復雜和耗能高等問題，不利于成本的降低。此外，有時在制品成型時因帶有不耐高溫的內(nèi)附件，也不允許環(huán)氧高溫固化。環(huán)氧低溫固化可以極大降低主要由昂貴的模具、高耗能設備及高性能輔料等帶來的高費用，且構件尺寸精度高，固化殘余應力低，尤其適合制備大型及結(jié)構復雜復合材料構件。低溫固化而中、高溫使用的環(huán)氧復合材料不僅用于復合材料工程材料及復合材料構件修補，還用于航空、航天復合材料構件。因此，研制滿足各種用途的低溫固化環(huán)氧樹脂體系是一個很重要的發(fā)展方向。作為先進復合材料基體，低溫固化環(huán)氧樹脂的研究和使用主要在預浸料制備和濕法直接成型兩個方面。
    低溫固化常指固化溫度低于100℃，且可以在自由狀態(tài)下進行高溫后處理[4一5J。國外環(huán)氧復合材料低溫固化研究已有近30年歷史，1975年美國ACG公司開發(fā)出第一個低溫固化環(huán)氧體系LTM10并開始應用于低成本與高精度被認為是重要因素的領域。隨后，一系列低溫固化環(huán)氧體系應用于制造航空、航天構件。國內(nèi)近年才開始相關研究，如航空材料研究院開發(fā)成功的LT系列低溫固化環(huán)氧復合材料。 
    1.環(huán)氧復合材料低溫固化研究 
    環(huán)氧復合材料低溫固化指固化溫度低于100℃，且可以在自由狀態(tài)下如無壓條件下進行高溫后處理。雖為低溫固化，固化后復合材料力學及耐熱性能和高溫固化相比沒什么明顯差別。環(huán)氧低溫固化劑很多，用于復合材料基體樹脂使用的環(huán)氧體系必須在室溫下有很好的儲存期以滿足制備工藝要求。故常見低溫固化劑因使環(huán)氧體系室溫下儲存期短，不適于制造復合材料，不屬于低溫固化劑。復合材料環(huán)氧基體低溫固化主要指低溫固化同時，樹脂基體具有較長的室溫儲存期，且低溫固化環(huán)氧復合材料各方面性能和中高溫固化相比相差不大。環(huán)氧樹脂固化溫度主要取決于固化劑及環(huán)氧反應活性，雖環(huán)氧結(jié)構和性質(zhì)對固化反應活性影響較大，但低溫固化的關鍵在于所用固化劑體系。因此，環(huán)氧低溫固化工藝重在研究滿足室溫儲存期長而固化溫度低的固化劑體系。 
    2.環(huán)氧低溫固化劑研究 
    隨著預浸料干法成型和濕法直接成型工藝的日趨完善，人們已研制出眾多低溫固化環(huán)氧配方體系。低溫固化劑關鍵在于固化劑、促進劑的選擇和改性，保證體系貯存期及其它各項性能的前提下改善其使用工藝性，并將固化溫度降低至100℃以下是科研工作者的努力方向。
    研究和開發(fā)微膠囊固化劑技術和潛伏性固化體系是解決環(huán)氧低溫固化和較長室溫儲存期間矛盾的有效方法，也是環(huán)氧復合材料低溫固化劑的當前主要發(fā)展方向門。
    2.1微膠囊固化劑技術
    微膠囊固化劑技術指將固化劑用微膠囊技術包覆起來阻止其與環(huán)氧在室溫下反應，提高環(huán)氧及其預浸料的室溫儲存期，當加熱到一定溫度，微膠囊破裂，釋放出的固化劑和環(huán)氧反應，凝膠、完成固化反應。
    采用乳化技術將固化劑用熱塑性樹脂包覆起來形成微膠囊，室溫下隔絕固化劑與環(huán)氧接觸，達固化溫度時熱塑性樹脂膜溶解于環(huán)氧而釋放出固化劑，可同時解決室溫儲存穩(wěn)定性、低溫固化和韌性。通過多異氰酸醋處理胺、環(huán)氧反應物固體顆粒可以改善固化劑的潛伏性。為提高室溫儲存期，將多元胺和環(huán)氧反應制備固化劑顆粒，再通過多異氰酸醋改性制得0.1林m的固化劑顆粒，因多異氰酸醋與顆粒表面活性基團反應形成微膠囊薄膜，在環(huán)氧中分散性很好。