CN100556675C - 树脂传递模塑工艺制备石英纤维-酚醛复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
树脂传递模塑工艺制备石英纤维-酚醛复合材料的方法，涉及一种石英纤维-酚醛复合材料的制备方法。鉴于溶剂对于石英纤维/酚醛复合材料的很多物理和化学过程的进行有重要影响，本发明以四氢呋喃作为溶剂制备石英纤维-酚醛复合材料，所述方法为：将酚醛树脂溶于四氢呋喃溶剂中，控制酚醛树脂溶液的质量浓度为70%，然后按照树脂传递模塑工艺制备石英纤维-酚醛复合材料。以四氢呋喃作为溶剂使酚醛树脂在织物内部均匀分布，并优于以乙醇作溶剂。采用四氢呋喃作为溶剂时，石英纤维表面的吸附总量为91.55mg，酚醛树脂的净吸附量为85.96%，此类溶剂为环醚，证明作为环醚的四氢呋喃是制造RTM石英/酚醛复合材料的适宜溶剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种石英纤维-酚醛复合材料的制备方法，具体涉及一种采用树脂传递模塑工艺制备石英纤维-酚醛复合材料的方法。
背景技术
树脂传递模塑(Resin transfer molding，RTM)工艺是一种制造高性能纤维增强聚合物基复合材料的先进技术，具有成本低、成型速度快、产品质量好、对环境污染小以及能够制造大型复杂结构构件的优点。而RTM工艺制备的石英纤维/酚醛复合材料具有良好的力学性能和介电性能，同时具有突出的瞬时耐高温和烧蚀性能，在宇航、机械和电子工业领域被广泛用于制作雷达天线罩和各种耐高温、耐磨擦材料。酚醛树脂作为成熟的高性能复合材料的基体树脂，由于其本身具有很高的粘度，为了满足复合材料成型工艺的要求，通常把酚醛树脂溶于有机溶剂后使用。低粘度的树脂溶液能够充分浸润增强体，浸润过程中，树脂组分吸附在增强体表面，在基体树脂和石英增强体之间形成界面，因此树脂体系的吸附行为直接决定最终复合材料的性能。许多研究表明，溶质在固体表面的吸附是溶质、溶剂和固体表面三者之间共同作用的结果，溶剂能够对溶质在固体表面吸附形成竞争效应，因此溶剂对很多物理和化学过程的进行有重要影响。
发明内容
鉴于溶剂对于石英纤维/酚醛复合材料的很多物理和化学过程的进行有重要影响，本发明提供一种以四氢呋喃作为溶剂的树脂传递模塑工艺制备石英纤维-酚醛复合材料的方法，所述方法为：将酚醛树脂溶于四氢呋喃溶剂中，控制酚醛树脂溶液的质量浓度为70％，然后将石英纤维增强材料铺放到闭模的模腔内，用压力将酚醛树脂体系胶液注入模腔，浸透石英纤增强材料，再固化，脱模成型后制得石英纤维-酚醛复合材料。
本发明以四氢呋喃作为溶剂，作为溶质的酚醛被优先吸附。溶液中酚醛树脂相对含量改变导致树脂溶液体系的粘度和表面张力同时产生相应的变化。在注射压力及树脂体系浓度相同的前提下，溶剂种类不同导致RTM石英/酚醛复合材料内部孔隙分布产生差异，实验证明以四氢呋喃为溶剂其复合材料的内部孔隙含量较低且分布均匀，力学性能较好。因此，溶剂对石英纤维在酚醛树脂溶液中的吸附行为有重要影响，酚醛树脂和溶剂在石英纤维表面形成竞争性吸附。采用四氢呋喃作为溶剂时，石英纤维表面的吸附总量为91.55mg，酚醛树脂的净吸附量为85.96％，此类溶剂为环醚，证明作为环醚的四氢呋喃是制造RTM石英/酚醛复合材料的适宜溶剂。
附图说明
图1为溶剂对石英纤维-酚醛复合材料孔隙含量的影响结果图，图2为溶剂对石英纤维-酚醛复合材料ILSS的影响结果图，图3为RTM石英/酚醛复合材料固化制度示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式按照如下步骤制备石英纤维-酚醛复合材料：将酚醛树脂溶于四氢呋喃溶剂中，控制酚醛树脂溶液的质量浓度为60～80％，然后按照树脂传递模塑工艺制备石英纤维-酚醛复合材料，即：将石英纤维增强材料铺放到闭模的模腔内，用压力将酚醛树脂体系胶液注入模腔，浸透石英纤增强材料，然后固化，脱模成型制品。
具体实施方式二：为了研究溶剂对石英纤维/酚醛复合材料浸润过程的影响，本实施方式选用三种有代表性的有机溶剂四氢呋喃、丙酮、乙醇作为比较。之所以在上述三种溶剂中进行优选，主要是基于以下考虑：
1、石英表面的自由羟基是其能够进行偶联和吸附的活性点。
2、酚醛树脂吸附在石英表面的同时，作为溶剂的四氢呋喃、乙醇和丙酮也同时吸附。
3、酚醛树脂通过其分子中的酚羟基和羟甲基和石英表面的Si-OH形成氢键从而吸附在石英表面。
4、同时，四氢呋喃、乙醇和丙酮通过其各自分子中的-O-、OH和C＝O官能团与Si-OH形成氢键，占据纤维表面的自由羟基吸附位置从而对酚醛树脂在石英纤维表面的吸附构成竞争效应。
5、乙醇具有很强的形成氢键能力，既可以作为氢键供体又可以作为氢键受体而形成双重氢键，这也是其在石英纤维表面与酚醛形成强竞争性吸附的原因。
6、四氢呋喃是弱极性溶剂，其形成氢键能力较弱，对酚醛树脂的吸附影响相对较小，而丙酮介于二者之间。
采用石英纤维吸附酚醛树脂后树脂体系粘度和表面张力的变化分析上述三种溶剂的作用。发现，酚醛/7醇和酚醛/丙酮溶液在加入纤维后其粘度和表面张力同时增大，而且随溶液浓度增加，粘度的变化更显著，在酚醛树脂质量分数为0.52时，纤维的加入导致树脂溶液的粘度增加了11.9％。酚醛/四氢呋喃溶液的粘度和表面张力变化趋势与此相反。以上实验表明：当四氢呋喃作溶剂时，作为溶质的酚醛被优先吸附。溶液中酚醛树脂相对含量改变导致树脂溶液体系的粘度和表面张力同时产生相应的变化。
孔隙含量是表征复合材料浸润效果和质量的重要参数，孔隙的存在对材料性能特别是力学性能的影响非常大。三种溶剂对RTM石英/酚醛复合材料孔隙含量的影响见图1。
在注射压力及树脂体系浓度相同的前提下，溶剂种类不同导致RTM石英/酚醛复合材料内部孔隙分布产生差异，可以看出以四氢呋喃为溶剂其复合材料内部孔隙含量较低且分布均匀。溶剂对RTM成型石英/酚醛复合材料层见剪切强度(ILSS)的影响见图2，与溶剂对孔隙率的影响相似，溶剂不但影响材料的ILSS的大小，而且影响材料内部ILSS分布的均匀性，但不如对孔隙含量的影响显著。从图中可以看出，以四氢呋喃为溶剂其复合材料的力学性能最佳。
因此，溶剂对石英纤维在酚醛树脂溶液中的吸附行为有重要影响，酚醛树脂和溶剂在石英纤维表面形成竞争性吸附。当采用乙醇作为溶剂时，石英纤维表面的吸附总量为106.73mg，酚醛树脂净吸附量为78.56％；采用四氢呋喃作为溶剂时，石英纤维表面的吸附总量为91.55mg，酚醛树脂的净吸附量为85.96％，此类溶剂为环醚，证明作为环醚的四氢呋喃是制造RTM石英/酚醛复合材料的适宜溶剂。
通常，四氢呋喃/酚醛树脂体系浓度在70％时适用于RTM成型；以四氢呋喃作为溶剂使酚醛树脂在织物内部均匀分布，并优于以乙醇作溶剂；以四氢呋喃作溶剂并不影响酚醛树脂的固化制度，可以按图3所示的固化制度制备RTM石英/酚醛复合材料，固化后自然降至室温，脱模。
Claims (1)
1、树脂传递模塑工艺制备石英纤维-酚醛复合材料的方法，其特征在于所述方法为：将酚醛树脂溶于四氢呋喃溶剂中，控制酚醛树脂溶液的质量浓度为70％，然后将石英纤维增强材料铺放到闭模的模腔内，用压力将酚醛树脂体系胶液注入模腔，浸透石英纤维增强材料，再固化，脱模成型后制得石英纤维-酚醛复合材料。
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| 溶剂对RTM石英/酚醛复合材料溶液浸润过程影响研究. 王柏臣，黄玉东，刘丽.航空材料学报，第26卷第1期. 2006 * |
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