環(huán)氧樹脂基輕質浮力材料的制備與性能研究.pdf

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

2、的局面。
　　綜合考慮制備工藝及使用環(huán)境特點等因素，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)計算所得的固化動力學方程對體系的固化反應特性進行了預測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單、能耗低的優(yōu)點。根據(jù)非等溫DSC測定數(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℃，終點溫度為136.6℃。通過DSC法對E-44/XY678/TETA體系的固化動力學進行了研究，得出該體系固化反應的表觀活化能E0為46.74kJ/mol，指前因子A=6.664×105S-1，反應級數(shù)n=0.88，體系固化為一級反應。
　　通過理論計算與實際測試數(shù)據(jù)研究了摻加不同體積分數(shù)微珠下浮力材料密度與孔隙率的關系，結果表明，材料中隨著微珠體積分數(shù)的增加，材料密度顯著降低，同時材料的實際測試密度比理論計算密度略低，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)此計算方法，確定了后續(xù)實驗中塑料微珠及玻璃纖維的適宜摻加質量分數(shù)。制備了密度為0.706g/cm3，壓縮強度為67.49MPa，飽和吸水率低于1％的輕質浮力材料。研究了硅烷偶聯(lián)劑對玻璃微珠表面改性對復合材料性能的影響;對浮力材料的失效機理進行了分析，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制導致。通過采用力學性能好的樹脂基體、抗壓強度高的空心微珠和提高微珠與樹脂間界面結合

5、強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復合材料綜合性能的影響。結果表明，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度最大;GO濃度為0.7mg/mL時復合材料的抗壓強度為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，進一步豐富了輕質高強浮力材料的制備工藝。結果表明，可以通過調節(jié)玻璃微珠及塑料微珠的質量分數(shù)來制備密度在0.454-0.872g/cm3，抗壓強度在35.21-85.72MPa的輕質浮力材料。
　　研究了短切玻璃纖維對玻璃微珠/環(huán)氧樹脂基體的增強機理，

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

8、78.21MPa，比壓縮強度為108.03MPa/(g/cm3)。玻璃纖維/玻璃微珠環(huán)氧樹脂基復合材料是由兩種細小形狀（直徑為微米級）的增強材料分散于環(huán)氧樹脂基體中而固化形成的復合材料，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、支撐與保護增強材料和傳遞應力的作用。當材料受力時，應力首先傳遞給纖維增強骨架（彈性變形區(qū)），隨著外部應力的增大，玻璃纖維與樹脂基體結合界面破壞，纖維增強骨架出現(xiàn)破裂，由于此時應力較大，將直接