【正文】 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。 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)。 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 不飽和聚酯樹脂 固化過程溫度變化 ……………………………………………… 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，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。由于樹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。飽和二元酸種類有 : 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。 R2 代表不飽和二元酸 , 可選順丁烯二酸酐或反丁烯二酸酐 。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。 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：一是二元酸的種類和數(shù)量 。 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。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。 (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)使最終樹脂的凝膠時(shí)間、折射率和黏度下降，而固化樹脂的耐熱性提高，以及一般的耐溶劑、耐腐蝕性能也提高。 (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。樹脂固化后具有良好的物理與化學(xué)性能。 不飽和聚酯樹脂是熱固性樹脂的主要品種之一，主要用于生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)制品。不飽和聚酯樹脂基復(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，表面易開裂；耐磨性也較差。另外，此類材料收縮率比較大，達(dá) 6%~10%。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 不飽和聚酯樹脂（ 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。世界上不飽和聚酯樹脂的技術(shù)開發(fā)動(dòng)向主要是通過樹脂改性和摻混等向降低樹脂收縮率，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。我國(guó)玻璃鋼市場(chǎng)欣欣向榮，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)不飽和聚酯樹脂向多品種、多用途方向發(fā)展，開發(fā)出如拉擠樹脂、 RTM用混雜樹脂、乙烯基樹脂、膩?zhàn)訕渲?、瑪瑙樹脂、高氧指?shù)阻燃樹脂、噴涂樹脂、柔性樹脂等，另一特點(diǎn)是澆鑄用、涂料用樹脂產(chǎn)量急劇上升，但與國(guó)外相比還存在著差距。非增強(qiáng)樹脂的用量增長(zhǎng)較快，達(dá)到 30 萬(wàn)噸，其中，聚酯工藝品和聚酯人造石用量十分看好。 不飽和聚酯樹脂是熱固性樹脂的主要品種之一，應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通以及運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。增強(qiáng)制品主要有冷卻塔、船艇、化工防腐設(shè)備、車輛部件、門窗、活動(dòng)房、衛(wèi)生設(shè)備、食品設(shè)備、娛樂設(shè)備及運(yùn)動(dòng)器材等；非增強(qiáng)制品主要有家具涂料、寶麗板、紐扣、仿象牙和仿玉工藝品、人造大理石、人造瑪瑙、人造花崗巖等。 去年我國(guó)增強(qiáng)用不飽和聚酯樹脂的用量也已達(dá)到 26萬(wàn)噸。在玻璃鋼增強(qiáng)不飽和聚酯中，纏繞管道市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。玻璃鋼冷卻塔是常盛不衰的產(chǎn)品。 利用石油化工分餾物和下腳料進(jìn)行再利用，生產(chǎn)不飽和聚酯樹脂是可資采用的 原料路線之一。另外，利用聚酯切片下腳聚對(duì)苯二甲酸及其衍生物生產(chǎn)不飽和聚酯樹脂也于近年研發(fā)成功。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的不太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 斷增加，以及其它消費(fèi)領(lǐng)域的擴(kuò)展，不飽和聚酯樹脂的發(fā)展?jié)摿?huì)更大。 不飽和聚酯產(chǎn)業(yè)化前景 :隨著我國(guó)不飽和聚酯樹脂的應(yīng)用范圍的擴(kuò)展， 目前，不飽和聚酯樹脂 (簡(jiǎn)稱 UPR)的生產(chǎn)已有相當(dāng)規(guī)模，隨著不飽和聚酯樹脂產(chǎn)量與品種的不斷提高與增加，不飽和聚酯樹脂制品已滲入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。 不飽和聚酯的固化機(jī)理 (1) 從游離基聚合的化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度分析 UPR 的固化屬于自由基共聚合反應(yīng)。 鏈引發(fā) —— 從過氧化物引發(fā)劑分解形成游離基到這種游離基加到不飽和基團(tuán)上的過程。與鏈引發(fā)相比，鏈增長(zhǎng)所需的活化能要低得多。 鏈轉(zhuǎn)移 —— 一個(gè)增長(zhǎng)著的大的游離基能與其他分子，如溶劑分子或抑制劑發(fā)生作用，使原來(lái)的活性鏈消失成為穩(wěn)定的大分子，同時(shí)原來(lái)不活潑的分子變?yōu)橛坞x基。在這一固化過程中，存在三種可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，即 ?苯乙烯與聚酯分子之間的反應(yīng)； ?苯乙烯與苯乙烯之間的反應(yīng)； ?聚酯分子與聚酯分子之間的反應(yīng)。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 值得注意的是，在聚酯分子結(jié)構(gòu)中有反式雙鍵存在時(shí)，易發(fā)生第三種反應(yīng)，也就是聚酯分子與聚酯分子之間的反應(yīng)，這種反應(yīng)可以使分子之間結(jié)合的更緊密，因而可以提高樹脂的各項(xiàng)性能。該結(jié)段中，樹脂能熔融，并可溶于某些溶劑（如乙醇、丙酮等）中。 （ 2）硬化階段（ B 階段）：從樹脂凝膠以后算起，直到變成具有足夠硬度，達(dá)到基本不粘手狀態(tài)的階段。這一階段大約需要幾十分鐘至幾小時(shí)。該階段中，樹脂既不溶解也不熔融。這個(gè)結(jié)段通常是一個(gè)很漫長(zhǎng)的過程。 191不飽和聚酯的合成 191聚酯樹脂是較典型的通用型樹脂。這類樹脂能耐一般的腐蝕和一定的溫度。