1·引言
碳纖維纏繞氣瓶由于其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和良好的疲勞性能，已經(jīng)在消防、醫(yī)療、新能源汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。考慮到氣瓶可能涉及高溫工作環(huán)境，部分標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)描述，例如美國交通運(yùn)輸部的DOT—CFFC(2007)標(biāo)準(zhǔn)中明確要求氣瓶需要承受50一90℃的熱循環(huán)試驗(yàn)，而且若樹脂體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于102℃還需進(jìn)行高溫蠕變試驗(yàn)。考慮到以上因素，一般要求所選用的環(huán)氧樹脂具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度( >102℃)。
LY564樹脂體系是一種適合高壓復(fù)合氣瓶纏繞使用的樹脂。為了研究LY564樹脂的固化特性，針對該樹脂體系以不同升溫速率進(jìn)行了動態(tài)DSC掃描，用流變儀測量等溫粘度和動態(tài)粘度測試，并對固化樹脂進(jìn)行DMA測試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定固化工藝，保證了固化效率。
2 ·試驗(yàn)部分
2．1 主要原材料
2．2 試驗(yàn)方法
樹脂、固化劑和促進(jìn)劑按重量比混合，攪拌均勻，呈透明的粘稠液體。
2．2．1 DSC試驗(yàn)
采用美國Rheometer scientific公司生產(chǎn)的DSC— SP型DSC掃描測試儀，不同升溫速率動態(tài)DSC測試。升溫速率5℃／min、：10℃／min、20℃／min，溫度范圍30—300℃，介質(zhì)為流動N2。
2．2．2 流變試驗(yàn)
取一定量配好的樹脂體系進(jìn)行升溫流變測試，溫度范圍30—120℃。LY564樹脂體系在溫度未達(dá)到120℃時，粘度已急劇上升，因此試驗(yàn)在120℃前終止。
取一定量配好的LY564樹脂體系進(jìn)行等溫流變測試，溫度為70℃、80℃ 、90℃ 。
2．2．3 DMA試驗(yàn)
固化工藝：90℃／2h+125℃／4．5h，隨爐降溫至65℃ ：
試樣打磨至標(biāo)準(zhǔn)尺寸：10×5×2 mm；進(jìn)行DMA測試，升溫速度：5℃／min，振動頻率：1 Hz，溫度范圍30～160℃。
3·結(jié)果和討論
3．1 LY564樹脂體系的DSC分析
環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，通常隨固化溫度的增高速率加快、反應(yīng)時間縮短。易長海等人[1]對BPEA一2／CYD一128環(huán)氧樹脂固化體系的固化反應(yīng)以不同的升溫速率進(jìn)行了DSC掃描，結(jié)果表明：DSC曲線的放熱峰溫度(起始溫度Ti，峰頂溫度Tp，終止溫度Tf)隨升溫速率的增加而升高，隨升溫速率的增大，反應(yīng)時間t m(固化時間)減小，放熱峰形越來越尖銳，這符合以上的規(guī)律。樹脂的固化反應(yīng)一般是在恒溫條件下進(jìn)行的，而熱分析通常采用的是等速升溫法，對樹脂體系采用不同的升溫速度，DSC曲線的峰值溫度有明顯的差異，為了消除這種影響，需進(jìn)一步應(yīng)用外推法求升溫速率為0時的峰值溫度，從而確定最佳固化工藝范圍[2]。若以升溫速率對溫度圖，外推求出升溫速率為0時的溫度，則此值可作為最低固化溫度，即最佳固化溫度。即以起始固化溫度Ti緩慢升溫到峰頂溫度Tp恒溫固化，最后在終止溫度Tf左右恒溫一段時間使樹脂充分固化。為使環(huán)氧樹脂體系能很好交聯(lián)，需找出能使樹脂體系很好交聯(lián)的固化時間和固化溫度。
圖1是LY564樹脂體系，不同升溫速率下的動態(tài)DSC曲線和固化峰溫度與升溫速率的關(guān)系曲線。由圖1可知，隨升溫速率增大，LY564樹脂體系的固化起始溫度Ti，固化峰值溫度Tp和固化終止溫度Tf升高，放熱峰形變得越來越尖銳。表1可知，隨升溫速率增大，兩種樹脂體系的固化反應(yīng)熱降低，固化反應(yīng)時間減小。以升溫速率對溫度作圖，外推求出升溫速率為0時的固化工藝溫度，根據(jù)這些值可得到最佳固化工藝。
利用外推法可以得到：LY564樹脂體系放熱峰Ti=88．4℃、 Tp=126．7℃、Tf=163．6℃。即88．4℃固化開始；126．7℃ 固化反應(yīng)放熱達(dá)到最大，163．6℃后反應(yīng)近乎停止。理論上的固化工藝可以是：88．4℃恒溫一段時間，然后升溫到126．7℃ 恒溫固化，最后在163．6℃恒溫一段時間使樹脂后固化完全。
3．2 LY564樹脂體系的流變試驗(yàn)分析
樹脂粘度反映復(fù)合材料制造過程中基體樹脂的流動特性，粘度既與溫度有關(guān)也與時間有關(guān)[3]。溫度越高，達(dá)到相同粘度所需要的時間就越短。固化初期，粘度隨溫度增加而降低。此時沒有樹脂固化引起的粘度增加，所以粘度可能下降2～3個數(shù)量級；固化溫度越高，溫度造成的粘度降低就越多。固化反應(yīng)開始時，固化反應(yīng)導(dǎo)致的粘度增加會被溫度升高造成的粘度降低抵消。隨樹脂繼續(xù)固化，交聯(lián)形成，固化反應(yīng)引起的粘度增加起主導(dǎo)作用，粘度開始以較快速率增加，最后接近凝膠時，粘度增長速率接近無限大。
圖2是LY564樹脂體系等溫條件下，粘度與時間的關(guān)系曲線。可以看到，樹脂體系在90～95℃之間粘度最低；試驗(yàn)開始到90％時，粘度隨溫度升高而降低；95℃到試驗(yàn)終止時，粘度隨溫度升高而增大。
圖3是LY564樹脂體系粘度與溫度的關(guān)系曲線。可知，溫度對于粘度的影響，在拐點(diǎn)之后，粘度上升速度受溫度影響很大，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，在70℃、80℃ 、90℃下，粘度達(dá)到1 Pa·S的時間分別為3 000 s，1 540 s和790 S；90℃時1011 s的粘度已達(dá)到140 Pa·S，已經(jīng)凝膠。
從提高凝膠效率考慮，凝膠溫度在90～95℃比較好，而LY564樹脂體系在38．4℃已經(jīng)開始固化，因此凝膠溫度應(yīng)不大于該溫度。考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程到升溫過程，我們將凝膠溫度定在90℃ ，凝膠時間根據(jù)產(chǎn)品表面達(dá)到凝膠狀態(tài)來確定。
3．3 LY564樹脂體系的DMA分析
固化時間和固化溫度不同，環(huán)氧基的消耗程度不同，樹脂的固化度也不同。為得到較高的固化度，首先要使樹脂凝膠，發(fā)生線型聚合，生成長鏈分子；然后進(jìn)行高溫固化交聯(lián)，即體型聚合。倘若凝膠時間不夠，則需要較長時間后固化，才能使反應(yīng)進(jìn)行完全。
圖4是LY564樹脂體系按照90℃／2h+125℃／4．5h的固化工藝固化后得到的試樣進(jìn)行DMA測試結(jié)果。可以看出LY564樹胳體系的Tg為123．4℃，完全滿足使用要求；且未發(fā)現(xiàn)次級轉(zhuǎn)變峰，可以認(rèn)為樹脂固化基本完全，同時考慮到生產(chǎn)效率和能耗成本的問題，未采用160℃的后固化處理過程。
4 ·結(jié)語
(1)LY564樹脂體系玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為123．4℃ ，滿足使用環(huán)境對樹脂體 暴的要求；
(2)LY564樹脂體系理論固化工藝為：88．4℃恒溫一段時間，然后升溫到126．7℃ 恒溫固化，最后163．6℃恒溫一段時間使樹脂充分固化；
(3)LY564樹脂體系的凝膠溫度為90℃。
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