碳纤维增强可降解环氧树脂基复合材料应用研究

作     者：李胜业 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱波;龙国荣

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：可降解环氧树脂 环境适应性 回收再利用 单丝拉伸性能 体育用品 阿基米德天平法 

摘      要：目前,针对纤维增强环氧树脂基热固性复材废弃物回收难的问题,各国政府、行业组织连续出台了很多相关的文件,引导、鼓励复材行业及科研单位开展复合材料的回收再利用研究工作。采用可降解环氧树脂基体是该领域的一个重要研究方向,确定可降解环氧树脂基复合材料性能及环境适应性,对其推广应用具有重要意义。本文主要从以下5个方面对可降解环氧树脂基复合材料进行了研究:(1)以外推法对DSC不同升温速率测试数据进行处理,获得树脂体系的固化温度参数。测试了其浇注体和复材性能,结果表明该材料体系具有良好的常规力学性能和界面性能。(2)环境适应性研究:以层间剪切和纵向弯曲性能为代表,研究了室温水浸、油浸、湿热、盐雾环境下材料体系的性能适应性。结果表明湿热对复合材料体系性能影响最大,28d湿热处理后,层间剪切性能降低了 14%,至67MPa,弯曲强度降低了 6%至1351MPa。可降解环氧树脂体系复合材料对室温水浸、油浸、盐雾具有良好的环境适应性,但应注意避免长期在湿热环境下服役。为进一步研究湿热对材料体系的影响,本文以动态热机械仪对可降解树脂浇注体及其复材层压板水煮性能进行了研究。结果显示:二者具有相同的玻璃化转变温度相同,且由高到低依次为干态试样、水煮后干燥和湿态试样;水煮材料体系的玻璃化转变温度及动态储能模量降低:水煮后干燥,试样性能有所恢复,但并不能恢复到水煮前的水平。可见高温下水分子对环氧树脂交联结构产生了不可逆的破坏作用,材料使用过程中应该注意避免。可降解复合材料层间剪切和纵向弯曲试样放置2年后,进行不同温度条件下的性能测试。结果表明两年后其仍具有良好的力学性能,且在-15°C～75°℃之间复材体系的层间剪切强度和弯曲强度下降幅度不大,说明材料性能在-15°℃～75°C区间具有良好的稳定性。为研究材料体系长期暴露在酸雨或碱液中的影响,试样在pH=2的盐酸和pH=13的氨水中室温浸泡2年后,研究了其界面性能。结果表明:试样层间剪切强度下降了 13.3%至65.9MPa、;氨水浸泡后试样层间剪切强度降低26.4%至55.9MPa。说明在室温条件下,可降解环氧树脂基复合材料对酸具有良好的抵抗能力,但应避免长期暴露在碱性环境中。环境适应性研究表明,在避免长期高温高湿和碱液浸泡条件下,可降解树脂基复合材料满足运动器材的用复合材料性能要求。(3)以可降解环氧树脂基复合材料预浸料开发了竞技体育吊环环圈和碳纤维复合材料自行车车架,并按相应标准进行了性能测试。测试结果表明可降解环氧树脂基复合材料设计的吊环环圈及复合材料自行车车架分别分别通过了国际体联吊环环圈和IS04210自行车性能标准要求。实践再次证明,可降解环氧树脂基复合材料满足竞技体育用品的开发、应用性能要求。(4)本文以精密天平为力传感器,设计开发了通过控制液面高度来调整加载力大小进而测试碳纤维单丝拉伸性能的测试方法,简称阿基米德天平法。以此法测试了 T700SC纤维单丝拉伸性能,结果表明该测试方法在准确性和稳定性上可以满足本文测试需求。以此方法测试了回收自碳纤维自行车的T700SC碳纤维,结果表明回收的T700SC纤维单丝平均拉伸强度3984.13MPa、保持率为80.4%,单丝平均拉伸模量199.7GPa、保持率为87.3%。可见,可降解环氧树脂基复合材料降解回收的碳纤维仍具有良好的力学性能。(5)探索了回收碳纤维增强环氧树脂层压板的力学性能,当纤维含量约40%时,回收碳纤维无纺布增强环氧树脂板纵向和横向拉伸强度分别是355MPa和249MPa。使用回收碳纤维增强环氧树脂体系材料在竞技体育器材跳马平台的次承力件上开展了实验,经测试跳马整体性能通过了国际体操联合会跳马性能标准测试,使用回收碳纤维设计、制作的跳马挡板达到了预期设计要求。综上所述,可降解环氧树脂基复合材料具有优异的综合性能和较好的环境适应性,其树脂降解彻底、有效、回收碳纤维力学性能保持率高,具有良好的应用价值。