HGB對TDE-85/E-51/B-63/70酸酐體系性能的影響

鄒 敏 嚴偉星 李曉奮 耿志剛 趙 奎 李鵬飛

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HGB對TDE-85/E-51/B-63/70酸酐體系性能的影響

鄒 敏 嚴偉星 李曉奮 耿志剛 趙 奎 李鵬飛

（西安長峰機電研究所，西安 710065）

考察了HGB對TDE-85/E-51/B-63/70酸酐體系力學性能及燒蝕性能的影響，并通過TG和DSC表征了體系熱性能。結果表明：加入HGB后，環氧體系剪切強度有所降低，拉伸強度提高18％，耐燒蝕性能提高了20％以上。

TDE-85；70酸酐；HGB；性能；影響

1 引言

高性能中空玻璃微珠（HGB）是一種良好的隔熱耐溫材料，其內部空心結構中含有一定的空氣氣體，具有超輕質、低導熱、有效隔溫且耐沖擊的優點[1，2]。可用做填充改性樹脂，制備出具有保溫功能、質輕和力學性能好的聚合物/中空微球復合材料[3]。

將HCG以一定比例加入到環氧樹脂體系中，待體系固化后，玻璃微珠形成一層“保護膜”，其粒狀顆粒會緊密排列在一起，形成隔熱層，微珠中的空氣形成熱源的“屏障”，阻隔熱傳遞作用，從而使產品具有良好的隔熱效果[4]。

將一定比例加入到TDE-85/ E-51/ B-63/70酸酐體系中，對體系進行改性，考察了HGB的加入對體系力學性能，燒蝕性能的影響，同時通過DSC和TG表征了加入HGB后體系的熱性能。

2 實驗

2.1 實驗原料

高性能空心玻璃微珠（HGB）；4, 5-環氧環己烷-1， 2-二甲酸二縮水甘油酯(TDE-85)，環氧值：0.85；甘油環氧樹脂（B-63），環氧值：0.55～0.71；二酚基丙烷縮水甘油醚(E-51)，環氧值：0.48～0.54；70酸酐，酸值：720～750；N、N-二甲基芐胺。

2.2 儀器設備及測試表征

a. 用CTM 5204型微機控制電子萬能試驗機：最大負荷20kN，測試拉剪及拉伸性能，分別按GB/T 7124—86及GB/T 1447—2005進行測試；

b. 用SDTA851e型熱失重（TG）表征復合材料在室溫至600℃時熱失重狀態，升溫速率10℃/min；

c. 用822e型差示量熱掃描儀（DSC）研究材料的熱反應特性，升溫速率10℃/min，測試溫度為80～400℃。

2.3 試樣制備

a．將TDE-85、E-51和B-63按照1:1:0.5比例在60℃混合均勻，按照24:1的比例分別加入70酸酐固化劑和N，N-二甲基芐胺促進劑，按照質量份5%加入HGB，混合攪拌至均勻；

b．固化制度：80℃/1h；120℃/1h；160℃/5h。

3 結果與討論

3.1 加入HGB體系與未加入HGB體系剪切性能對比

在室溫25℃時，分別將HGB/TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系與未加入HGB的環氧體系進行剪切試件測試，測試結果如表1所示。

表1 加入HGB與未加HCG體系剪切性能測試對比

從表1可以看出，加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系的剪切強度均值為22.00MPa，而未加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系的剪切強度均值為23.76MPa，未加入HGB的環氧體系剪切強度稍高。有文獻論證，在室溫時，TDE-85/ E-51環氧樹脂體系按照不同的質量配比，其剪切強度范圍集中在20～30MPa之間[5]。

如表1所示，兩組數據均在正常范圍，而加入HCG環氧體系剪切強度偏低可能是由于HGB與環氧體系相容性差，結合力弱，當受到外力作用時，HGB發生整體脫落，黏接表面存在缺陷導致性能下降[6]。

3.2 加入HGB體系與未加入HGB體系拉伸性能對比

在室溫25℃時，分別將加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系與不加HGB的體系進行拉伸試件測試，測試結果如表2所示。

表2 加入HGB與未加HGB體系拉伸性能測試對比

從表2看出，加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系拉伸強度均值為39.68MP，比未加入HGB的環氧體系拉伸強度均值高大約18%。可能是由于，當試件受到外力拉扯時，試件受到應力破換斷裂時，HGB包含的空氣會阻隔裂紋的擴展方向，使原本開裂方向發生轉移，此時需要比不加HCG體系更大的斷裂應力才能使材料出現開裂破壞[7]。因此體系中適當添加HGB，可以使復合材料的拉伸強度增加。

3.3 加入HGB體系與未加入HGB體系TG對比分析

本文用TG表征了加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系與未加入HGB的環氧體系熱性能。升溫速率為10℃/min，試驗溫度40～600℃。TG曲線如圖1、圖2所示。

圖1 未加入HGB體系的TG曲線

圖2 加入HGB體系的TG曲線

從圖1看出，未加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系在390℃時發生了熱分解，在480℃時熱分解達到頂峰，在600℃，環氧體系全部分解，無殘碳；如圖2所示，體系熱分解溫度及熱分解達到頂峰溫度與圖1基本一致，在600℃時，殘碳率達到12％。可能是由于HGB中含有的Si、Al、B等元素本身熔點很高，他們均勻的包裹在環氧體系周圍形成一層“保護膜”，隨著溫度升高，HGB既保護了碳化層，又吸收了一定熱量[8]，起到了隔熱的作用。

3.4 加入HGB體系與未加入HGB體系DSC對比分析

本文考察了HGB對TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系的DSC曲線。具體情況如圖3、圖4所示。升溫速率為10℃/min，試驗溫度40～400℃。

圖3 未加入HGB體系的DSC曲線

圖4 加入HGB體系的DSC曲線

加入HGB樹脂體系與未加入HGB環氧樹脂體系的DSC曲線基本吻合，在225℃左右開始固化，在285℃固化完全，在315℃時有一個較小的峰，考慮可能是由于高溫作用下，環氧體系支鏈發生斷裂；375℃為環氧體系的分解溫度，在此溫度下，體系開始碳化，產生了大量的小分子，因此出現了一個較大的放熱峰。

4 加入HGB體系與未加入HGB體系燒蝕性能對比

分別對未加入HCG的環氧體系與加入HCG的環氧體系燒蝕試件進行氧—乙炔焰燒蝕。10s后，兩種狀態下線燒蝕率及質量燒蝕率結果如表3所示。

表3 加入HGB體系與未加入HGB體系燒蝕性能對比

通過表3看出，不加HGB的環氧體系線燒蝕率均值為0.590 mm/s，質量燒蝕率均值為0.265g/s，而加入5％質量份HGB后，體系的線燒蝕率及質量燒蝕率均有所下降，為0.488mm/s及0.247g/s。加入HGB后，環氧體系耐燒蝕性能提高了20％以上。可能是由于玻璃微珠的中空結構，將環氧樹脂包裹在微珠內，阻隔了氧——乙炔焰對試樣的燒蝕，起到了隔熱耐燒蝕效果，另外，HGB的導熱系數低于樹脂[9]，因而將其加入到樹脂體系中很大程度改善了體系的耐熱性能；再者，玻璃微珠的主要成分為SiO2、Al2O3及硼化物等，在與環氧體系攪拌過程中，硼原子與環氧支鏈緊密連接，交聯度增大，因此，耐燒蝕性能有大幅提高。

5 結束語

實驗證明，在TDE-85/E-51/B-63/70酸酐環氧體系中加入HGB后，體系的剪切性能降低，拉伸性能，耐燒蝕性能約提高20%；室溫600℃時殘碳率達到12％，加入HGB樹脂體系與未加入HGB環氧樹脂體系的DSC曲線基本吻合，在225℃左右開始固化，在285℃固化完全，375℃為環氧體系的分解溫度，在此溫度下，體系開始碳化。

1 Hu Xiao, Xu Hongsheng, Li Zhongming. Morphology and properties of poly (L—Lactide) (PLLA) Filled with Hollow Glass Beads[J]. Macromolecular Materials and Engineering, 2007, 292(5)：646～654

2 Patankar S N., Kranov Y A. Hollow glass microsphere HDPE composites for low energy sustainability[J]．Materials Science and Engineering A, 2010, 527(6)：1361～1366

3 梁基照，李鋒華. 中空玻璃微珠填充聚丙烯復合材料導熱系數的測定[J]．塑料科技，2006，34(2)：49～51

4 靳濤，劉立強，李德華. 玻璃微珠在隔熱涂料中的隔熱性能研究[J]. 山東科技大學學報（自然科學版），2009，28(1)：60～63

5 鄒敏，李鵬飛，趙奎. 中空玻璃微珠對高硅氧/酚醛體系性能的影響[J].航天制造技術，2016，8(4)：25～27

6 李軍偉，朱森，吳湘鋒. 影響中空玻璃微珠填充PS復合材料性能的因素[J]. 合成樹脂與塑料，2011，28(2)：12～15

7 張麟，劉峰，楊長紅，等. PF／高硅氧布／HGB 復合材料力學性能研究[J]. 工程塑料應用，2013，41(12)：23～27

8 張麟，劉鋒，李建，等.HGB 含量對SiO2 /PF 復合材料性能的影響[J]. 宇航材料工藝，2014，(3)：58～61

9 梁基照，劉冠生. 中空玻璃微珠填充PP復合材料耐熱性能研究[J]. 現代塑料加工應用，2005，17(3)：35～37

Influences of HGB to Properties of TDE-85/E-51/B-63/THPA System

Zou Min Yan Weixing Li Xiaofen Geng Zhigang Zhao Kui Li Pengfei

(Xi’an Changfeng Research Institute of Mechanism and Electricity, Xi’an 710065)

The influences of HGB to TDE-85/E-51/B-63/THPA system on mechanical properties and ablation properties were reviewed in this paper. The thermal behaviors were characterized by TG and DSC. The results show that the shear strength decreases, the tensile strength increases 18%, and the ablative performance increases by more than 20% of the system by joining HGB.

TDE-85；THPA；HGB；property；influence

鄒敏（1984），碩士，材料加工工程專業；研究方向：復合材料模壓。

2017-02-13