【正文】 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 碳纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的研究 摘要： 本文采用濃硝酸處理的碳纖維增強(qiáng)不飽和聚酯。 測(cè)量了 CF/UPR 復(fù)合材料的力 學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度），分別研究了不同纖維用量和不同的纖維表面處理對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。并通過(guò) SEM分析了拉伸斷面纖維與基體材料的纖維結(jié)構(gòu)和斷裂情況。 結(jié)果表明，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都隨著碳纖維處理時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。拉伸強(qiáng)度在少量碳纖維加入的時(shí)候略有降低，而后隨短纖維加入量的增加而增加。 關(guān)鍵詞： 不飽和聚酯 ,碳纖維 ,表面處理 ,力學(xué)性能 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 Study on structure and performance of unsaturated polyester posite reinforced carbon fiber Abstract: In this article,the carbon fiber reinforced unsaturated polyester and the carbon fiber was treated by surface soakage with concentrated nitric acid. The mechanical performances (Tensile strength,Flexural strength and Impact strength ) of CF/UPR posite were effects of the contents of different fibers and the processing time of different fibers on the mechanical properties of CF/UPR posites. As well as the fracture surfaces of the posite, were studied by means of SEM. Results show that Tensile strength,Flexural strength and Impact strength increased with increasing processing time of carbon fiber .Tensile strength of carbon depressed when a small amount of fiber to the mass fraction of the fiber was higher than 3%,The mechanical performances increased with increasing carbon fiber . Keywords:Unsaturated Polyester Resin(UPR), Carbon Fiber, Surface Treatment , Mechanical Properties 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 第 I 頁(yè) 共 Ⅱ 頁(yè) 目 錄 1. 前言…………………………………………………………………………………… 1 不飽和聚酯 …………………………………………………………………………… 1 概述 ………………………………………………………………………………… 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r …………………………………………………………………… 2 不飽和聚酯的固化機(jī)理 …………………………………………………………… 4 191不飽和聚酯 ……………………………………… …………………………… 5 碳纖維 ………………………………………………………………………………… 6 概述 ………………………………………………………………………………… 6 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能 ……………………………………………………………… 7 瀝青基碳纖維 ……………………………………………………………………… 9 碳纖維表面處理方法 …………………………………………………………… 10 研究目的及意義 …………………………………………………………………… 13 2. 試驗(yàn)部分 …………………………………………………………………………… 14 主要試驗(yàn)原料和設(shè)備 ……………………………………………………………… 14 試驗(yàn)原料 ………………………………………………………………………… 14 試驗(yàn)設(shè)備 ………………………………………………………………………… 14 試驗(yàn)配方 …………………………………………………………………………… 15 試驗(yàn)流程 …………………………………………………………………………… 15 試 驗(yàn)流程圖 ………………………………………………………………………… 16 表征 ………………………………………………………………………………… 17 不飽和聚酯固化過(guò)程溫度變 …………………………………………………… 17 力學(xué)性能測(cè)試 ……………………………………………………………………… 17 結(jié)構(gòu)表征 …………………………………………………………………………… 17 3. 結(jié)果分析 …………………………………………………………………………… 18 不飽和聚酯樹(shù)脂 固化過(guò)程溫度變化 ……………………………………………… 18 碳纖維處理時(shí)間為變量 …………………………………………………………… 19 碳纖維含量為變量 ………………………………………………………………… 27 碳纖維取向與力學(xué)性能的關(guān)系 …………………………………………………… 29 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 第 II 頁(yè) 共 Ⅱ 頁(yè) 4. 結(jié)論 ………………………………………………………………………………… 31 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………… 32 致謝 ………………………………………………………… …………………………… 34 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 概述 聚酯是主鏈上含有酯鍵的高分子化合物的總稱(chēng)，是由二元醇或多元醇與二元酸或多元酸縮合而成的，也可從同一分子內(nèi)含有羥基和羧基的物質(zhì)制得。不飽和聚酯樹(shù)脂 ( UPR) 是由不飽和二元酸、飽和的二元酸、二元醇經(jīng)縮聚反應(yīng)而生成的線性高分子化合物。由于樹(shù)脂分子鏈中含有不飽和雙鍵 , 因此可以在加熱、光照、高能輻射以及引發(fā)劑作用與含雙鍵的單體 , 如苯乙烯、乙烯基甲苯等發(fā)生共聚反應(yīng)生成三維立體結(jié)構(gòu) , 形成不溶不熔的熱固性塑料。 UPR 合成時(shí) , 如果二 元酸都選擇馬來(lái)酸酐 , 會(huì)使雙鍵密度過(guò)大 , 反應(yīng)活性高 , 固化收縮率大 , 因此工業(yè)生產(chǎn)往往選擇添加部分飽和二元酸替代不飽和二元酸。飽和二元酸種類(lèi)有 : 間苯二甲酸、鄰苯二甲酸、對(duì)苯二甲酸、長(zhǎng)鏈飽和脂肪二元酸等。不飽和聚酯樹(shù)脂可以用通式 ( 1 ) 表示 : 式中 , R1 代表二元醇 , 可選丙二醇、乙二醇、新戊二醇 。 R2 代表不飽和二元酸 , 可選順丁烯二酸酐或反丁烯二酸酐 。 R3 代表飽和二元酸 , 可選鄰苯二甲酸、間苯二甲酸、對(duì)苯二甲酸等。從分子式可以看出 , 在未發(fā)生固化之前 , 不飽和聚酯是線形分子。從 UPR 成型工藝來(lái)說(shuō) , 不飽和聚酯樹(shù)脂可以采用手糊成型、模壓成型、注射成型等工藝 , 特別是注射成型工藝的發(fā)展 , 促使了不飽和聚酯樹(shù)脂行業(yè)的快速發(fā)展。 不飽和聚酯在交聯(lián)前后的性質(zhì)可以有廣泛的多變性，這種多變性取決于以下兩個(gè)因素：一是二元酸的種類(lèi)和數(shù)量 。二是二元醇的類(lèi)型。 不飽和二元酸，不飽和聚酯中的雙鍵都是由不飽和二元酸提供的。工業(yè)上用的不飽和酸是順丁烯二酸酐（簡(jiǎn)稱(chēng)順酐）和反丁烯二酸，主要是順酐，這是因?yàn)轫橍埸c(diǎn)低，反應(yīng)時(shí)縮水量少（較順?biāo)峄蚍此嵘?1/2 的縮聚水），而且廉價(jià)。但是反式雙鍵太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 較順式雙鍵活潑，這就有利于提高 固化速率和固化反應(yīng)的程度。 (1)飽和二元酸，生產(chǎn)不飽和聚酯時(shí)，加入飽和二元酸共縮聚可以調(diào)節(jié)雙鍵的密度，增加樹(shù)脂的韌性，降低不飽和聚酯的結(jié)晶傾向，改善它在乙烯基類(lèi)交聯(lián)單體中的溶解性。 (2)不飽和酸和飽和酸的比例，以由順酐、苯酐和丙二醇縮聚而成的通用不飽和聚酯為例，其中順酐和苯酐是等摩爾比投料的，若順酐 /苯酐的摩爾比增加，則會(huì)使最終樹(shù)脂的凝膠時(shí)間、折射率和黏度下降，而固化樹(shù)脂的耐熱性提高，以及一般的耐溶劑、耐腐蝕性能也提高。若順酐 /苯酐的摩爾比降低，由此制成的聚酯樹(shù)脂將最終固化不良，制品的力學(xué)強(qiáng)度下降。 (3)二元醇，合成不飽和聚酯主要用二元醇，一元醇用作分子鏈長(zhǎng)控制劑，多元醇可得到高相對(duì)分子質(zhì)量，高熔點(diǎn)的支化的聚酯。最常用的二元醇是 1,2丙二醇，由于丙二醇的分子結(jié)構(gòu)中有不對(duì)稱(chēng)的甲基，因此得到的聚酯結(jié)晶傾向較少，與交聯(lián)劑苯乙烯有良好的相容性。樹(shù)脂固化后具有良好的物理與化學(xué)性能。 (4)苯乙烯含量高的樹(shù)脂往往不適合接觸成型，因樹(shù)脂收縮率過(guò)大、黏度太低；苯乙烯含量太低時(shí)，樹(shù)脂不能充分固化，通用樹(shù)脂采用苯乙烯的含量為 35%時(shí)效果最好。 不飽和聚酯樹(shù)脂是熱固性樹(shù)脂的主要品種之一，主要用于生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)制品。此外， 還用于涂料、寶麗板、人造石和工藝品等。不飽和聚酯樹(shù)脂基復(fù)合材料雖然有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但樹(shù)脂基本身硬度較低，莫氏硬度一般只有 2級(jí)左右（ 相當(dāng)于石膏的硬度）；抗沖擊性差，表面易開(kāi)裂；耐磨性也較差。如平時(shí)使用的玻璃鋼浴缸會(huì)很快被磨毛，玻璃鋼管道的耐磨性更加需要提高，人造大理石也因耐磨性和硬度差，遠(yuǎn)不及天然大理石而失去其應(yīng)有的生命力。另外，此類(lèi)材料收縮率比較大，達(dá) 6%~10%。因此需要提高樹(shù)脂的抗沖擊性、耐磨性以及硬度、強(qiáng)度、耐熱、耐水、阻燃等性能，并降低收縮率，提高不 飽和聚酯樹(shù)脂基復(fù)合產(chǎn)品的質(zhì)量，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 不飽和聚酯樹(shù)脂（ UP）作為熱固性玻璃鋼的基體材料，近 20 年來(lái)在全世界取得了迅速發(fā)展。全世界不飽和聚酯樹(shù)脂產(chǎn)量已達(dá)到 160萬(wàn)噸，用于玻璃鋼的不飽和聚酯太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 樹(shù)脂按 75%比例測(cè)算，全世界用于玻璃鋼基體材料的不飽和聚酯樹(shù)脂產(chǎn)量在 120萬(wàn)噸以上。世界上不飽和聚酯樹(shù)脂的技術(shù)開(kāi)發(fā)動(dòng)向主要是通過(guò)樹(shù)脂改性和摻混等向降低樹(shù)脂收縮率，提高制品表面質(zhì)量，提高與添加劑的相容性，增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)作用以及提高加工性能和機(jī)械性能等方向發(fā)展。 80 年代后期，我國(guó)先后引進(jìn)了美國(guó)、日本、意大利和德國(guó)的樹(shù)脂制造技術(shù)， 使我國(guó)多年來(lái)依賴(lài)手糊生產(chǎn)玻璃鋼的成型技術(shù)得以改進(jìn)。我國(guó)玻璃鋼市場(chǎng)欣欣向榮，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)不飽和聚酯樹(shù)脂向多品種、多用途方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)出如拉擠樹(shù)脂、 RTM用混雜樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、膩?zhàn)訕?shù)脂、瑪瑙樹(shù)脂、高氧指數(shù)阻燃樹(shù)脂、噴涂樹(shù)脂、柔性樹(shù)脂等，另一特點(diǎn)是澆鑄用、涂料用樹(shù)脂產(chǎn)量急劇上升，但與國(guó)外相比還存在著差距。近年來(lái)，我國(guó)不飽和聚酯樹(shù)脂制品的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)