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1、太原工业学院毕业论文碳纤维增强不饱和聚酯复合材料结构与性能的研究摘要：本文采用浓硝酸处理的碳纤维增强不饱和聚酯。测量了CF/UPR 复合材料的力学性能（拉伸强度、弯曲强度和冲击强度），分别研究了不同纤维用量和不同的纤维表面处理对复合材料力学性能的影响。并通过SEM分析了拉伸断面纤维与基体材料的纤维结构和断裂情况。结果表明，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都随着碳纤维处理时间的增长而增长。拉伸强度在少量碳纤维加入的时候略有降低，而后随短纤维加入量的增加而增加。关键词：不饱和聚酯,碳纤维,表面处理,力学性能Study on structure and performance of unsaturate
2、d polyester composite reinforced carbon fiberAbstract: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 c
3、omposite were measured.The effects of the contents of different fibers and the processing time of different fibers on the mechanical properties of CF/UPR composites. As well as the fracture surfaces of the composite, were studied by means of SEM.Results show that Tensile strength,Flexural strength a
4、nd Impact strength increased with increasing processing time of carbon fiber .Tensile strength of carbon depressed when a small amount of fiber to join.When the mass fraction of the fiber was higher than 3%,The mechanical performances increased with increasing carbon fiber .Keywords:Unsaturated Poly
5、ester Resin(UPR), Carbon Fiber, Surface Treatment , Mechanical Properties目 录1.前言11.1 不饱和聚酯11.1.1 概述11.1.2 国内外发展状况21.1.3 不饱和聚酯的固化机理41.1.4 191#不饱和聚酯51.2 碳纤维61.2.1 概述61.2.2 碳纤维的结构与性能71.2.3 沥青基碳纤维91.2.4 碳纤维表面处理方法 101.3 研究目的及意义 132. 试验部分 141.1 主要试验原料和设备 142.1.1 试验原料 142.1.2 试验设备 142.2 试验配方 152.3 试验流程 152
6、.4 试验流程图 162.5 表征 172.5.1 不饱和聚酯固化过程温度变 172.5.2力学性能测试 172.5.3结构表征 173. 结果分析 183.1 不饱和聚酯树脂固化过程温度变化 183.2 碳纤维处理时间为变量 193.3 碳纤维含量为变量 273.4 碳纤维取向与力学性能的关系 294. 结论 31参考文献32致谢34第 II 页 共 页太原工业学院毕业论文1.前言1.1不饱和聚酯1.1.1 概述聚酯是主链上含有酯键的高分子化合物的总称，是由二元醇或多元醇与二元酸或多元酸缩合而成的，也可从同一分子内含有羟基和羧基的物质制得。不饱和聚酯树脂( UPR) 是由不饱和二元酸、饱和的
7、二元酸、二元醇经缩聚反应而生成的线性高分子化合物。由于树脂分子链中含有不饱和双键, 因此可以在加热、光照、高能辐射以及引发剂作用与含双键的单体, 如苯乙烯、乙烯基甲苯等发生共聚反应生成三维立体结构, 形成不溶不熔的热固性塑料。UPR 合成时, 如果二元酸都选择马来酸酐, 会使双键密度过大, 反应活性高, 固化收缩率大, 因此工业生产往往选择添加部分饱和二元酸替代不饱和二元酸。饱和二元酸种类有: 间苯二甲酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、长链饱和脂肪二元酸等。不饱和聚酯树脂可以用通式( 1 ) 表示: 式中, R1 代表二元醇, 可选丙二醇、乙二醇、新戊二醇; R2 代表不饱和二元酸, 可选顺丁烯二酸
8、酐或反丁烯二酸酐; R3 代表饱和二元酸, 可选邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸等。从分子式可以看出, 在未发生固化之前, 不饱和聚酯是线形分子。从UPR 成型工艺来说, 不饱和聚酯树脂可以采用手糊成型、模压成型、注射成型等工艺, 特别是注射成型工艺的发展, 促使了不饱和聚酯树脂行业的快速发展。不饱和聚酯在交联前后的性质可以有广泛的多变性，这种多变性取决于以下两个因素：一是二元酸的种类和数量;二是二元醇的类型。不饱和二元酸，不饱和聚酯中的双键都是由不饱和二元酸提供的。工业上用的不饱和酸是顺丁烯二酸酐（简称顺酐）和反丁烯二酸，主要是顺酐，这是因为顺酐熔点低，反应时缩水量少（较顺酸或反酸少1/2
9、的缩聚水），而且廉价。但是反式双键较顺式双键活泼，这就有利于提高固化速率和固化反应的程度。(1)饱和二元酸，生产不饱和聚酯时，加入饱和二元酸共缩聚可以调节双键的密度，增加树脂的韧性，降低不饱和聚酯的结晶倾向，改善它在乙烯基类交联单体中的溶解性。(2)不饱和酸和饱和酸的比例，以由顺酐、苯酐和丙二醇缩聚而成的通用不饱和聚酯为例，其中顺酐和苯酐是等摩尔比投料的，若顺酐/苯酐的摩尔比增加，则会使最终树脂的凝胶时间、折射率和黏度下降，而固化树脂的耐热性提高，以及一般的耐溶剂、耐腐蚀性能也提高。若顺酐/苯酐的摩尔比降低，由此制成的聚酯树脂将最终固化不良，制品的力学强度下降。(3)二元醇，合成不饱和聚酯主要
10、用二元醇，一元醇用作分子链长控制剂，多元醇可得到高相对分子质量，高熔点的支化的聚酯。最常用的二元醇是1,2-丙二醇，由于丙二醇的分子结构中有不对称的甲基，因此得到的聚酯结晶倾向较少，与交联剂苯乙烯有良好的相容性。树脂固化后具有良好的物理与化学性能。(4)苯乙烯含量高的树脂往往不适合接触成型，因树脂收缩率过大、黏度太低；苯乙烯含量太低时，树脂不能充分固化，通用树脂采用苯乙烯的含量为35%时效果最好。不饱和聚酯树脂是热固性树脂的主要品种之一，主要用于生产玻璃纤维增强制品。此外，还用于涂料、宝丽板、人造石和工艺品等。不饱和聚酯树脂基复合材料虽然有轻质、高强、耐腐蚀等优点，但树脂基本身硬度较低，莫氏硬
11、度一般只有2级左右（相当于石膏的硬度）；抗冲击性差，表面易开裂；耐磨性也较差。如平时使用的玻璃钢浴缸会很快被磨毛，玻璃钢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，远不及天然大理石而失去其应有的生命力。另外，此类材料收缩率比较大，达6%10%。因此需要提高树脂的抗冲击性、耐磨性以及硬度、强度、耐热、耐水、阻燃等性能，并降低收缩率，提高不饱和聚酯树脂基复合产品的质量，扩大应用范围。1.1.2 国内外发展状况不饱和聚酯树脂（UP）作为热固性玻璃钢的基体材料，近20年来在全世界取得了迅速发展。全世界不饱和聚酯树脂产量已达到160万吨，用于玻璃钢的不饱和聚酯树脂按75%比例测算，全世界用于
12、玻璃钢基体材料的不饱和聚酯树脂产量在120万吨以上。世界上不饱和聚酯树脂的技术开发动向主要是通过树脂改性和掺混等向降低树脂收缩率，提高制品表面质量，提高与添加剂的相容性，增强材料的浸润作用以及提高加工性能和机械性能等方向发展。80年代后期，我国先后引进了美国、日本、意大利和德国的树脂制造技术，使我国多年来依赖手糊生产玻璃钢的成型技术得以改进。我国玻璃钢市场欣欣向荣，促进了国内不饱和聚酯树脂向多品种、多用途方向发展，开发出如拉挤树脂、RTM用混杂树脂、乙烯基树脂、腻子树脂、玛瑙树脂、高氧指数阻燃树脂、喷涂树脂、柔性树脂等，另一特点是浇铸用、涂料用树脂产量急剧上升，但与国外相比还存在着差距。近年来
13、，我国不饱和聚酯树脂制品的产品结构发生较大变化，增强与非增强用树脂比例由原来的7030改变为2002年的5545。非增强树脂的用量增长较快，达到30万吨，其中，聚酯工艺品和聚酯人造石用量十分看好。此外，非增强用树脂在纽扣、聚合物混凝土、钢琴和保丽板用涂料、汽车用原子灰等方面也大大增加。 不饱和聚酯树脂是热固性树脂的主要品种之一，应用于工业、农业、交通以及运输等领域。不饱和聚酯树脂主要分为增强和非增强两大系列。增强制品主要有冷却塔、船艇、化工防腐设备、车辆部件、门窗、活动房、卫生设备、食品设备、娱乐设备及运动器材等；非增强制品主要有家具涂料、宝丽板、纽扣、仿象牙和仿玉工艺品、人造大理石、人造玛瑙、人造花岗岩等。 2002年我国不饱和聚酯树脂产量达到56万吨，比上年增长11，进口不饱和聚酯树脂14万吨，出口4000多吨，国内实际消费树脂
