双酚 A 型环氧树脂的合成及复合材料制备
姓名:贾训祥
学号:0840605115
专业:高分子材料与工程一、实验目的:
1. 了解逐步聚合预聚体的合成方法和环氧树脂的实验室制法。
2. 了解环氧树脂复合材料的制备方法。
3. 掌握复合材料样条的制备与其力学性能的测试过程。
二、实验原理:
环氧树脂是指那些分子中至少含有两个反应性的环氧基团的树脂化合物。
环氧树脂经固化后有许多突出的优异性能, 如对各种材料特别是对金属的粘着力很强, 有卓越的耐化学腐蚀性,力学强度很高,电绝缘性好,耐腐蚀,等等。
此外,环氧树脂可以在相当宽的温度范围内固化, 而且固化时体积收缩很小。
环氧树脂的上述优异特性使它有着许多非常重要的用途。
广泛用于粘合剂(万能胶 ,涂料、复合材料等方面。
合成环氧树脂的方法大致可分两类。
一类是用含有环氧基团的化合物(如环氧氯丙烷或经化学处理后能生成环氧基的化合物(如 1.3-二氯丙醇和二元以上的酚(醇聚合而得。
另一类是使含有双键的聚合物(如聚丁二烯或小分子(如二环戊二烯环氧化而得。
双酚 A 型环氧树脂是环氧树脂中产量最大,使用最广的一个品种,它是由双酚 A 和环氧氯丙烷在氢氧化钠存在下反应生成的:
原料配比不同,反应条件不同(如反应介质,温度和加料顺序 ,可制得不同软化点, 不同分子量的环氧树脂。
式中 n 一般在 0到 25之间。
根据相对分子质量大小,环氧树脂可以分成各种型号。
一般低相对分子质量环氧树脂的 n 平均值小于 2、软化点低于 50℃, 也称为软环氧树脂; 中等相对分子质量环氧树脂的 n 值在 2~5之间、软化点在 50℃~95℃之间; 而 n 大于 5的树脂(软化点在 100℃以上称为高分子量树脂。
相对分子质量对软化点的影响见图 1。
图 1
在环氧树脂的结构中有羟基(>CH-OH 、醚基(-O -和极为活泼的环氧基存在。
羟基、醚基有高度的极性, 使环氧分子与相邻界面产生了较强的分子间作用力, 而环氧基团则与介质表面, 特别是金属表面上的游离键起反应, 形成化学键。
因而, 环
氧树脂具有很高的粘合力,用途很广,商业上称作“万能胶” 。
此外,环氧树脂还可作涂料、层压材料、浇铸、浸渍及模具等用途。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料, 通过物理或化学的方法, 在宏观上组成具有新性能的材料。
各种材料在性能上互相取长补短, 产生协同效应, 使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
为了增强环氧树脂的性能, 本实验在环氧树脂固化的同时加入玻璃纤维,制取复合材料,并测试其力学性能。
三、化学试剂和仪器:
四口烧瓶,回流冷凝管,分液漏斗,滴液漏斗,玻璃棒,烧杯,温度计(200℃ , 刷子,电热套,电动搅拌器,真空蒸馏装置,制样机,万能电子力学试验机。
双酚 A , 环氧氯丙烷,氢氧化钠,甲苯,丙酮,三乙烯四胺。
四、实验步骤:
1. 环氧树脂的制备:搭接好反应装置。
将 30g 双酚 A 和 34g 环氧氯丙烷依次加入四口烧瓶中,打开搅拌器升温至 70~75 o C ,使双酚 A 全部溶解。
待其完全溶解之后缓慢滴加 78g(氢氧化钠质量分数为 16%氢氧化钠溶液,注意温度保持在 70度左右。
滴加完毕之后, 在 75到 80度之间继续反应 2小时左右, 可观察到反应混合物呈乳黄色。
停止加热, 冷却至室温,向反应瓶中加入 30mL 蒸馏水和 60mL 苯,充分搅拌后,倒入 250mL 的分液漏斗中, 静置,分去水层,油层用蒸馏水洗涤数次,取油层。
将树脂溶液进行真空蒸馏,除去甲苯及未反应的环氧氯丙烷,加热,开动真空泵(注意流出速度 ,蒸馏到无流出物为止,控制蒸馏最终温度为 120℃,得到黄色透明树脂。
2. 复合材料制备:以玻璃纤维布为增强材料,三乙烯四胺为固化剂,制备环氧树脂复合材料, 并测试其力学性能。
具体步骤是将经过真空蒸馏后所得到的树脂置于烧杯中, 加入 12%的固化剂,搅拌均匀。
①在桌面铺一层保鲜膜,将已经准备好的玻璃
纤维(长 25厘米, 宽 15厘米铺在其上,再用刷子将树脂均匀涂于玻璃纤维的两面。
②涂完后,再取一片玻璃纤维覆盖其上,压实。
再用刷子将树脂均匀涂在玻璃纤维上。
,
此次只涂朝上的一面。
重复②的步骤一次。
这样便做好一份,连续做三份。
将做好的放入烘箱内,在 90度的温度下保温一个半小时。
取出, 用制样机将其制成样品。
对于要做拉伸测试的样品, 在其每个样条的两边在涂上三层的玻璃纤维并将其放入烘箱, 在 90度的温度下保温一个小时。
取出即可。
3. 复合材料力学性能的测试:利用型号为 CM4303的万能电子力学试验机进行复合材料的弯曲与拉伸性能的测定。
①、弯曲性能的测定:选择好试验的方式,设定试验参数,将其下降速度设为
2mm 每分钟,试样跨度设为 20mm 。
将条形样品装入万能电子力学试验机,固定好。
连接好各种传感器。
将显示屏上的数据清零。
点击开始试验,直至样品断裂,停止试验。
重复上述过程, 将全部的样品测试完,生成报告。
②、拉伸性能的测定:选择好试验的方式,设定试验参数,将其上升速度设为
2mm 每分钟, 将哑铃型样品装入万能电子力学试验机, 固定好。
连接好各种传感器。
将显示屏上的数据清零。
点击开始试验, 直至样品断裂, 停止试验。
重复上述过程, 将全部的样品测试完, 生成报告。
五、讨论:
1. 合成:在实验中,再加料时,应该要先加环氧氯丙烷,再加入双酚 A 。
这样可以加快双
酚 A 的溶解。
如果反过来,就可能要发比较多的时间等待其溶解。
在二者完全溶解之后, 滴加氢氧化钠溶液是要注意速度, 过快将是反应加快, 放出大量的热, 是反应的环境温度迅速上升, 这导致冷凝液上层水相中的环氧氯丙烷含量会增多, 随水分离而损失, 致使参加反应的环氧氯丙烷减少, 物料比例发生变化, 产物也将发生变化。
本实验的环氧树脂合成产率比较低, 主要原因是原料的投入比较少, 生成的产物由于具有一定的粘度使得在萃取和真空抽滤过程来回转移中使产物有部分损失,这些致使产率降低。
2. 力学性能 :
(1弯曲性能测试:
表一
理可知:平均弯曲模量 Ef :3131.082Mpa ;平均弯曲强度σfM :214.123Mpa ;平均规定挠度时的弯曲应力σfc :157.229Mpa ;平均断裂弯曲应力σfB :157.229Mpa 。
图 2
复合材料的弯曲性能讨论:复合材料的断裂面并不平整, 有好几个都是藕断丝连。
这实验过程中可以了解到样品的厚度与宽度都是影响复合材料弯曲性能的重要因素。
不过造成材料性能差异的主要是在铺层的时候没有铺均匀, 在制备样品是裁剪的线条与玻璃纤维的纹路相交错程度也会很大地影响到材料的性能。
不过由图 2可以看出, 在这些因素的影响下, 虽然应力的大小有变化,但是对于应变来说,材料的断裂弯曲应力所对的应变的变化并不是很大。
在实验中也可以看出,在其他条件相同的情况下,多铺一层树脂可以增加复合材料的韧性, 和硬度,提升材料的力学性能。
复合材料拉伸性能测试:
图 3
厚度:1.88mm ; 宽度:24.82mm 。
拉伸强度:114.57Mpa ;最大承受的力
为:5325.18N ; 最大拉伸位移:3.93mm 。
最大应变:7.85%。
复合材料拉伸性能讨论:在拉伸实验中, 所得到的应力——应变曲线是一条接近直线的曲线, 如图 3。
而且在拉伸条件下,纤维聚合物复合材料的泊松比并非不变值,而是随着载荷的增加而减小, 有时会出现负的泊松比。
其主要原因是泊松比的符号取决于增强纤维的铺设方向和顺序, 反映在边缘效应上。
因此, 对增强纤维的横向相对应变进行测量时困难。
在试验中可以看出, 纤维含量低的材料, 聚合物基体在增强纤维断裂之前破坏; 二维纤维复合材料上的载荷与纤维方向有夹角时,破坏随角度而变化:1、小角度时,由于剪切以及平行于增强纤维方向的聚合物基体剥离,而是材料开始破坏; 2、角度加大时,由于拉应力起着主要作用,极端情况下,因聚合物基体横向断裂而破坏。