環(huán)氧樹脂基輕質(zhì)浮力材料的制備與性能研究.pdf

1、21世紀(jì)被稱之為海洋的世紀(jì)，隨著我國(guó)對(duì)海洋開發(fā)的逐步加速及海洋開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，滿足不同使用條件的輕質(zhì)、高強(qiáng)浮力材料的應(yīng)用前景開始變得更加廣闊。圍繞深海浮力材料研究與技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域，一些深海裝備上使用的浮力材料已初步研制出來，因受制于國(guó)外對(duì)高端制造領(lǐng)域的技術(shù)封鎖，研究制備高性能固體浮力材料是我們亟待解決的問題。我國(guó)對(duì)高性能海洋浮力材料的研究尚處在起步階段，研制輕質(zhì)高強(qiáng)的高性能固體浮力材料，將在很大程度上取代進(jìn)口材料，打破國(guó)外少數(shù)公司壟斷市場(chǎng)

2、的局面。
　　綜合考慮制備工藝及使用環(huán)境特點(diǎn)等因素，論文確定了雙酚A型環(huán)氧樹脂(E-44)/新戊二醇二縮水甘油醚(XY678)/三乙烯四胺(TETA)的聚合物基低溫快速固化體系。根據(jù)計(jì)算所得的固化動(dòng)力學(xué)方程對(duì)體系的固化反應(yīng)特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)并確定體系的固化工藝為室溫凝膠固化/2d+后固化80℃/1h，該固化體系具有固化工藝簡(jiǎn)單、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)非等溫DSC測(cè)定數(shù)據(jù)，采用外推法推算出該體系的固化起始溫度為32.55℃，峰值溫度為79.

3、55℃，終點(diǎn)溫度為136.6℃。通過DSC法對(duì)E-44/XY678/TETA體系的固化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，得出該體系固化反應(yīng)的表觀活化能E0為46.74kJ/mol，指前因子A=6.664×105S-1，反應(yīng)級(jí)數(shù)n=0.88，體系固化為一級(jí)反應(yīng)。
　　通過理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)研究了摻加不同體積分?jǐn)?shù)微珠下浮力材料密度與孔隙率的關(guān)系，結(jié)果表明，材料中隨著微珠體積分?jǐn)?shù)的增加，材料密度顯著降低，同時(shí)材料的實(shí)際測(cè)試密度比理論計(jì)算密度略低，證

4、明材料中微珠外部與基體之間還含有少量的空氣泡。依據(jù)此計(jì)算方法，確定了后續(xù)實(shí)驗(yàn)中塑料微珠及玻璃纖維的適宜摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)。制備了密度為0.706g/cm3，壓縮強(qiáng)度為67.49MPa，飽和吸水率低于1％的輕質(zhì)浮力材料。研究了硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玻璃微珠表面改性對(duì)復(fù)合材料性能的影響;對(duì)浮力材料的失效機(jī)理進(jìn)行了分析，其破壞主要由微珠破壞和樹脂基體與玻璃微珠間界面剝離兩種機(jī)制導(dǎo)致。通過采用力學(xué)性能好的樹脂基體、抗壓強(qiáng)度高的空心微珠和提高微珠與樹脂間界面結(jié)合

5、強(qiáng)度等方法可以有效提高浮力材料的綜合性能。
　　研究了氧化石墨烯(GO)表面修飾玻璃微珠及摻加低密度塑料微珠對(duì)復(fù)合材料綜合性能的影響。結(jié)果表明，玻璃微珠(phr=20)先吸附GO后將其還原、先將GO還原然后微珠將其完全吸附、空心玻璃微珠只吸附GO三種狀態(tài)下填充環(huán)氧樹脂制備的浮力材料，在玻璃微珠只吸附GO狀態(tài)下的制得浮力抗壓強(qiáng)度最大;GO濃度為0.7mg/mL時(shí)復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為92.75MPa，密度為0.883g/cm3，較未吸

6、附GO狀態(tài)下制得浮力材料的抗壓強(qiáng)度提高了8.20％，密度僅增加了1.12％。通過塑料微珠與玻璃微珠混雜作為填料添加到樹脂基體中，探討在獲得滿足抗壓使用要求條件下降低材料密度的有效方法，進(jìn)一步豐富了輕質(zhì)高強(qiáng)浮力材料的制備工藝。結(jié)果表明，可以通過調(diào)節(jié)玻璃微珠及塑料微珠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來制備密度在0.454-0.872g/cm3，抗壓強(qiáng)度在35.21-85.72MPa的輕質(zhì)浮力材料。
　　研究了短切玻璃纖維對(duì)玻璃微珠/環(huán)氧樹脂基體的增強(qiáng)機(jī)理，

7、并研究了纖維浸潤(rùn)劑表面處理對(duì)浮力材料性能的影響。結(jié)果表明，作為增強(qiáng)相，纖維與樹脂基體的界面結(jié)合強(qiáng)度、玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分散狀態(tài)等都是影響浮力材料的重要因素。玻璃纖維作為增強(qiáng)相（分散相）添加到樹脂基體中，其模量與強(qiáng)度會(huì)比基體材料高很多，是外部受力的主要承載體，通過纖維浸潤(rùn)劑表面處理可以有效提高纖維與樹脂基體界面結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)玻璃微珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40、1mm短切玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1時(shí)，制得的輕質(zhì)浮力材料密度為0.724g/cm3，抗壓強(qiáng)度達(dá)到

8、78.21MPa，比壓縮強(qiáng)度為108.03MPa/(g/cm3)。玻璃纖維/玻璃微珠環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料是由兩種細(xì)小形狀（直徑為微米級(jí)）的增強(qiáng)材料分散于環(huán)氧樹脂基體中而固化形成的復(fù)合材料，玻璃纖維與玻璃微珠起著承受載荷的主要作用，而樹脂基體則起著粘接、支撐與保護(hù)增強(qiáng)材料和傳遞應(yīng)力的作用。當(dāng)材料受力時(shí)，應(yīng)力首先傳遞給纖維增強(qiáng)骨架（彈性變形區(qū)），隨著外部應(yīng)力的增大，玻璃纖維與樹脂基體結(jié)合界面破壞，纖維增強(qiáng)骨架出現(xiàn)破裂，由于此時(shí)應(yīng)力較大，將直接