碳纖維增強(qiáng)阻燃樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及性能研究

李志濤，郭聰聰，單瑞俊，王怡敏，毛慧文，尹國(guó)強(qiáng)

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽(yáng) 212300)

0 引言

隨著新材料不斷地創(chuàng)新，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料[1-3]由于擁有高模、高強(qiáng)、重量輕等特點(diǎn)，在新材料中嶄露頭角，逐步開(kāi)始取代傳統(tǒng)的鋼鐵及鋁合金材料，特別是軌道交通領(lǐng)域，由于國(guó)家提出了節(jié)能增效要求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)者大都在保證力學(xué)設(shè)計(jì)要求的前提下通過(guò)減重的方式實(shí)現(xiàn)性能及速度上的突破。而軌道交通作為主要的承載工具，特別是對(duì)人的承載，相應(yīng)的部件材料需要具備較高的防火要求。作為碳纖維增強(qiáng)的基體材料——環(huán)氧樹(shù)脂基體并沒(méi)有傳統(tǒng)鋼鐵及鋁合金的耐燃性，因此，提高環(huán)氧樹(shù)脂基材料的阻燃性能[4-7]成為碳纖維復(fù)合材料的重中之重。

談到阻燃性能，不同的環(huán)境狀況對(duì)其材料阻燃性能的要求亦不盡相同，特別是在軌道交通領(lǐng)域新型復(fù)合材料替代傳統(tǒng)材料的應(yīng)用過(guò)程中，目前市場(chǎng)上已有滿(mǎn)足德國(guó)DIN 5510:2009及TB/T 3237:2010的阻燃環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料體系，它們?cè)跐M(mǎn)足設(shè)計(jì)用力學(xué)性能的前提下同時(shí)也可達(dá)到相關(guān)的阻燃要求。但滿(mǎn)足EN45545：2013的環(huán)氧阻燃碳纖維預(yù)浸料目前幾乎沒(méi)有。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的多是無(wú)法作為承力件用的，可滿(mǎn)足EN45545內(nèi)飾阻燃玻纖預(yù)浸料。這些材料基本上都是非受力件，傳統(tǒng)的玻纖預(yù)浸料就可以滿(mǎn)足力學(xué)性能要求，因而可以在酚醛樹(shù)脂或者環(huán)氧樹(shù)脂中加入適量的阻燃劑(諸如ATH等)，這樣固化后板材的整體阻燃性能將會(huì)大幅度提高，同時(shí)又可以兼顧內(nèi)飾材料對(duì)力學(xué)性能的要求。

對(duì)于碳纖維阻燃預(yù)浸料而言，需要同時(shí)發(fā)揮碳纖維的可承力的作用，因此在開(kāi)發(fā)和使用中需要同時(shí)兼顧更高的力學(xué)性能和滿(mǎn)足要求的阻燃性能。對(duì)于真空袋壓(OoA)工藝[8-13]而言，若以傳統(tǒng)的阻燃添加型樹(shù)脂勢(shì)必在滿(mǎn)足阻燃要求(EN45545)的前提下，提高樹(shù)脂的黏度，降低了樹(shù)脂固化過(guò)程中的流動(dòng)性，大大影響固化后板材的力學(xué)性能。本論文針對(duì)此問(wèn)題，以低黏度環(huán)氧樹(shù)脂為主體樹(shù)脂，含磷環(huán)氧樹(shù)脂[14-18]為輔助樹(shù)脂，并配以添加型阻燃劑對(duì)樹(shù)脂、預(yù)浸料固化工藝、固化后板材力學(xué)性能及阻燃性能進(jìn)行研究分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

樹(shù)脂1：TF1820(江蘇恒神股份有限公司自制)，樹(shù)脂2：SP3742(大連連晟貿(mào)易有限公司)；樹(shù)脂3：YD-128(國(guó)都化工)。

阻燃劑：AP462[(科萊恩化工(中國(guó)有限公司)]，ATH(雅寶)，硼酸鋅(旭貝化工)。

固化劑：雙氰胺(Dyhard 100S)，有機(jī)脲(Dyhard UR500)。

纖維：HF10碳纖維(江蘇恒神股份有限公司)。

1.2 樹(shù)脂制備

阻燃樹(shù)脂的制備采用兩步法R/H。首先制備固化劑組分H，制備過(guò)程如下：將YD-128樹(shù)脂(55份)、雙氰胺(30份)和有機(jī)脲(15份)混合于專(zhuān)用容器中，并在離心分散器中混合1.5 min后，開(kāi)蓋，刮壁，再進(jìn)行2次充分操作后，固化劑混合完成待用。樹(shù)脂組分R制備過(guò)程如下：將TF1820在80 ℃下融化至流動(dòng)態(tài)，加入混合釜，然后加入SP3742(如有)，溶解至透明，再依次加入AP462、ATH及硼酸鋅，混合均勻后降溫至65 ℃，加入對(duì)應(yīng)比例的固化劑H組分，然后出料。其中樹(shù)脂組分R的變化見(jiàn)表1。

表1 樹(shù)脂組分R具體配比表

1.3 織物預(yù)浸料的制備

1.3.1 樹(shù)脂膠膜的制備

將已制備好的樹(shù)脂放入包覆有離型紙的托盤(pán)中，并放入70 ℃的烘箱烘烤備用，將涂膜機(jī)的涂膜輥調(diào)整間隙，設(shè)置在72 g左右的間隙，然后開(kāi)啟模溫機(jī)，設(shè)置合適溫度(在該溫度下，樹(shù)脂黏度在30 000～50 000 cPs)，加熱涂膜輥，然后將烘箱中烘至流動(dòng)的樹(shù)脂導(dǎo)入膠槽中，進(jìn)行涂膜，樹(shù)脂膜形成于離型紙上，經(jīng)過(guò)冷卻板后，由PE膜將其覆蓋，最后收卷在紙筒上，備用。樹(shù)脂膜制備如圖1所示。

圖1 樹(shù)脂膜制備示意圖

1.3.2 織物預(yù)浸料的含浸

將樹(shù)脂膜放于含浸機(jī)上，同時(shí)將HFW200T織物放于樹(shù)脂膜中間，通過(guò)含浸機(jī)將樹(shù)脂膜附于纖維表面，然后通過(guò)高溫壓合，將樹(shù)脂浸潤(rùn)到纖維織物中，最終形成阻燃預(yù)浸料。預(yù)浸料制備如圖2所示。

圖2 預(yù)浸料含浸制備示意圖

最終形成以三明治結(jié)構(gòu)的預(yù)浸料形式。制備的預(yù)浸料規(guī)格見(jiàn)表2。

1.4 層壓板制備

采用真空袋壓(OoA)工藝在程序控溫烘箱中制備復(fù)合材料層壓板。固化制度：起始溫度(24±1) ℃，以2 ℃/min的速度升溫至保溫溫度T1，保溫固定時(shí)間后，在以2 ℃/min的速度升溫至保溫溫度T2，保溫固定時(shí)間后，以1 ℃/min的速度降溫至室溫(24±1) ℃，取出板材，備用。

表2 預(yù)浸料規(guī)格說(shuō)明

1.5 性能測(cè)試

黏度測(cè)試：按照ASTM D4287標(biāo)準(zhǔn)，采用BROOKFIELD DVII 型錐板黏度儀在不同溫度下對(duì)樹(shù)脂體系進(jìn)行黏度測(cè)試。

流動(dòng)度測(cè)試：按照HB7736.6標(biāo)準(zhǔn)，采用1噸壓機(jī)，將預(yù)浸料在120 ℃下固化30 min后，進(jìn)行流動(dòng)度測(cè)試。

DSC測(cè)試：按照GB/T19466.2標(biāo)準(zhǔn)，采用美國(guó)TA公司Q20差示量熱分析儀在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行分析。

熱失重分析：按照ASTM D 3850-12標(biāo)準(zhǔn)，使用德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)TG209F3型的熱失重分析儀，表征固化后復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，加熱掃描溫度區(qū)間是40～800 ℃，加熱速度為5 ℃/min，樣品質(zhì)量為2～5 mg，測(cè)試氣氛是空氣，空氣流量是40 mL/min。

孔隙率測(cè)試：按照GB/T 3365標(biāo)準(zhǔn)，采用液態(tài)樹(shù)脂將層壓板進(jìn)行澆筑、固定，然后再通過(guò)YMPZ2-2金相自動(dòng)磨拋機(jī)將澆筑好的試樣表面進(jìn)行打磨及拋光，最后在DM-400C金相顯微鏡上進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算孔隙率。

層間剪切性能測(cè)試：按照ASTM D 2344標(biāo)準(zhǔn)，在JB-117型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)短臂梁彎曲法對(duì)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行表征。壓頭加載速度為1 mm/min，在室溫下測(cè)試，層間剪切強(qiáng)度測(cè)5個(gè)有效數(shù)據(jù)，取平均值。

最大平均熱釋放量：按照EN 45545-2標(biāo)準(zhǔn)，采用PX-07-007型錐形量熱儀，將錐量的輻射能量穩(wěn)定在50 kW/m2，無(wú)焰燃燒，測(cè)試三個(gè)試樣，計(jì)算平均值。

煙密度、煙霧濃度：按照EN 45545-2標(biāo)準(zhǔn)，采用NBS煙箱，將錐量的輻射能量穩(wěn)定在50 kW/m2，無(wú)焰燃燒，測(cè)試三個(gè)試樣，計(jì)算平均值。

臨界輻射通量：按照EN 45545-2標(biāo)準(zhǔn)，采用熱輻射火焰?zhèn)鞑y(cè)試儀，測(cè)試三個(gè)試樣，計(jì)算平均值。

煙霧毒性：按照EN 45545-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用NBS煙箱與紅外光譜聯(lián)用，在燃燒過(guò)程中收集燃燒廢氣進(jìn)行分析，測(cè)試三個(gè)試樣，計(jì)算平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒徑硼酸鋅對(duì)樹(shù)脂體系黏度及煙密度的影響

圖3 不同粒徑硼酸鋅對(duì)樹(shù)脂體系黏度-溫度曲線(xiàn)變化的影響

硼酸鋅作為傳統(tǒng)的抑煙劑[19-21]，多在熱塑性樹(shù)脂阻燃體系中應(yīng)用，近幾年逐步擴(kuò)展到熱固性樹(shù)脂體系中，特別是環(huán)氧體系。本文所調(diào)配的樹(shù)脂體系是匹配碳纖維作復(fù)合材料使用，制備復(fù)合材料的過(guò)程采用的是真空袋壓工藝，因此樹(shù)脂在固化過(guò)程中的工藝性需要充分考慮，而黏度是預(yù)浸料成型的重要參數(shù)，因此我們探究了不同粒徑對(duì)不同溫度下樹(shù)脂體系黏度的影響，其曲線(xiàn)圖如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著硼酸鋅粒徑由大向小變化，黏度在不同溫度點(diǎn)都出現(xiàn)了先減小再增大的趨勢(shì)，主要原因可能是，當(dāng)硼酸鋅粒徑較大時(shí)，樹(shù)脂在混合浸潤(rùn)硼酸鋅粉體過(guò)程中，容易出現(xiàn)未完全浸潤(rùn)的情況。這就導(dǎo)致樹(shù)脂在錐板黏度計(jì)上測(cè)試黏度時(shí)，摩擦扭力增大，進(jìn)而使得黏度相對(duì)較大。但隨著粒徑降低到1 μm以下，黏度出現(xiàn)了明顯的增加，這可能是由于粒徑太小，粉體的總體比表面積明顯增大，超過(guò)了當(dāng)前樹(shù)脂可浸潤(rùn)極限，從而使得部分粉體未完全浸潤(rùn)，宏觀表現(xiàn)為黏度增大。

加入硼酸鋅主要作用是輔助阻燃劑進(jìn)行抑煙，因此，將各自樹(shù)脂體系與碳纖維織物復(fù)合制備成預(yù)浸料，并在真空袋壓工藝下制備成同等厚度的板材，對(duì)板材燃燒中的煙霧釋放進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同粒徑硼酸鋅對(duì)固化后層壓板燃燒煙密度的影響

從結(jié)果可以看出，隨著硼酸鋅粒徑的減小，板材的煙密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這可能與分散均勻性有關(guān)，大粒徑的粉體在連續(xù)相樹(shù)脂基體中分散，無(wú)法完全均勻分散于樹(shù)脂基體中，造成樹(shù)脂整體在燃燒過(guò)程中無(wú)法充分、快速地受熱分解，不能有效形成玻璃態(tài)附著層進(jìn)行隔熱，也無(wú)法有效阻斷燃燒中碳鏈向小分子分解；粒徑越小的硼酸鋅在樹(shù)脂體系中分散的越均勻，同時(shí)燃燒過(guò)程中受熱表面積大，可以快速有效形成需要的隔熱玻璃態(tài)附著體，從而更快更好地隔絕空氣與熱量，繼而降低燃燒中煙霧的產(chǎn)生。

從不同粒徑硼酸鋅對(duì)應(yīng)樹(shù)脂體系黏度的影響以及后期板材燃燒后煙密度的影響，可以得出粒徑在3～5 μm的硼酸鋅應(yīng)用到環(huán)氧樹(shù)脂體系中，煙密度釋放可得到有效控制，同時(shí)硼酸鋅(3～5 μm)體系黏度也較硼酸鋅(小于1 μm)所在體系小，更有利于后端真空袋壓工藝預(yù)浸料的制備。同時(shí)考慮到后期的成本問(wèn)題，本論文優(yōu)先選擇硼酸鋅(3～5 μm)作為阻燃樹(shù)脂體系的高效協(xié)同抑煙劑。

2.2 不同樹(shù)脂體系對(duì)黏度及流動(dòng)度的變化影響

圖4顯示的是樹(shù)脂體系c、e的黏度-溫度曲線(xiàn)，從中可以看出，當(dāng)引入SP3742(含磷環(huán)氧樹(shù)脂)，同時(shí)減小樹(shù)脂體系e中阻燃劑粉體的添加量時(shí)，體系的黏度相對(duì)于樹(shù)脂體系c，各個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的黏度出現(xiàn)了明顯的下降，這將有利于后續(xù)預(yù)浸料的生產(chǎn)工藝，同等程度上降低涂膜含浸溫度，在更低的能耗和工藝窗口下完成預(yù)浸料的生產(chǎn)。當(dāng)溫度升至130 ℃左右，樹(shù)脂體系c、e的黏度開(kāi)始出現(xiàn)升高趨勢(shì)，且樹(shù)脂體系c黏度的增長(zhǎng)速度大于e的增長(zhǎng)速度，這說(shuō)明當(dāng)達(dá)到反應(yīng)條件后，樹(shù)脂體系c的反應(yīng)活性?xún)?yōu)于樹(shù)脂體系e。另外結(jié)合表4，我們發(fā)現(xiàn)，預(yù)浸料E的流動(dòng)度12%，明顯大于預(yù)浸料C的流動(dòng)度5%。這也從側(cè)面說(shuō)明，阻燃劑粉體在樹(shù)脂體系中既會(huì)影響樹(shù)脂的黏度，同時(shí)在高溫下由于連續(xù)相周?chē)植即罅康姆垠w顆粒，在壓力的作用下，流動(dòng)速度減慢，從而導(dǎo)致樹(shù)脂的整體流動(dòng)性下降明顯。

圖4 樹(shù)脂體系c、e黏度-溫度曲線(xiàn)

表4 預(yù)浸料C、E固化過(guò)程中流動(dòng)度變化

2.3 不同樹(shù)脂體系對(duì)固化行為的影響分析

2.3.1 不同樹(shù)脂體系對(duì)DSC反應(yīng)曲線(xiàn)的影響

從圖5不同樹(shù)脂體系c、e的DSC曲線(xiàn)以及表5對(duì)應(yīng)的DSC數(shù)據(jù)可以看出，樹(shù)脂體系c的起始反應(yīng)溫度為151.78 ℃，相交于樹(shù)脂體系e的起始反應(yīng)溫度151.51 ℃，兩體系的起始反應(yīng)溫度相對(duì)接近；但是隨著反應(yīng)的開(kāi)始，反應(yīng)的速率出現(xiàn)了明顯的不同，樹(shù)脂體系c的反應(yīng)速率明顯高于樹(shù)脂體系e的反應(yīng)速率，從而也導(dǎo)致了樹(shù)脂體系e的反應(yīng)峰值溫度相較于樹(shù)脂體系c延后了26.6 ℃。這主要是由于樹(shù)脂體系c、e有同種類(lèi)型的樹(shù)脂，在遇到等活性的固化劑時(shí)，反應(yīng)活化能相同，因此基本在同一溫度點(diǎn)出現(xiàn)了起始反應(yīng)溫度；對(duì)于反應(yīng)速率而言，樹(shù)脂體系e中引入了SP3742含磷環(huán)氧樹(shù)脂，它是一種DOPO改性接枝的環(huán)氧樹(shù)脂，由于反應(yīng)DOPO作為支鏈接入環(huán)氧樹(shù)脂，在與固化劑反應(yīng)過(guò)程中，出現(xiàn)了更大的位阻效應(yīng)，影響了活性反應(yīng)基的碰撞反應(yīng)，從而影響了反應(yīng)速率，繼而推遲了反應(yīng)的峰值溫度。而經(jīng)過(guò)峰值溫度后，樹(shù)脂體系c反應(yīng)速率開(kāi)始放緩，樹(shù)脂體系e的反應(yīng)速度出現(xiàn)增大趨勢(shì)，最終各自終止溫度為185.3 ℃和213.5 ℃。

圖5 樹(shù)脂體系c、e的DSC曲線(xiàn)

比較兩者的放熱量，樹(shù)脂體系e的放熱量明顯高于樹(shù)脂體系c，這主要是因?yàn)轶w系中樹(shù)脂含量的相對(duì)增加，混合環(huán)氧值增加，單位質(zhì)量的反應(yīng)的樹(shù)脂量增加，從而提高了樹(shù)脂體系e整體的放熱量。

表5 樹(shù)脂體系c、e的DSC數(shù)據(jù)

2.3.2 不同樹(shù)脂體系對(duì)凝聚時(shí)間的影響分析

對(duì)于樹(shù)脂體系c、e，我們進(jìn)行了不同溫度凝聚時(shí)間的測(cè)試。從6表中可以明顯看出，樹(shù)脂體系c在相同溫度下凝聚時(shí)間都比樹(shù)脂體系e的凝聚時(shí)間短，而且越是低溫段，凝聚時(shí)間相差越大。這與DSC曲線(xiàn)反應(yīng)出來(lái)的反應(yīng)活性恰好吻合，也從側(cè)面證明了含磷環(huán)氧樹(shù)脂引入體系使反應(yīng)速度明顯降低，但在低溫段可以保持很好的穩(wěn)定性。

表6 樹(shù)脂體系c、e的凝聚時(shí)間-溫度數(shù)據(jù)

2.4 不同樹(shù)脂體系熱失重影響分析

樹(shù)脂燃燒的過(guò)程實(shí)際上是分解的過(guò)程，主要是分解出小分子可燃?xì)怏w，與空氣中的氧氣混合，在高溫下進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成CO2或者CO以及NO2等，宏觀上表現(xiàn)為重量的不斷損失。而EN 45545-2測(cè)試項(xiàng)中最大平均熱釋放量(MAHR)的測(cè)試，采用錐形量熱法。此項(xiàng)測(cè)試的基本原理是根據(jù)燃燒過(guò)程中的耗氧量來(lái)計(jì)算熱釋放量，因此針對(duì)此項(xiàng)測(cè)試，如可在燃燒過(guò)程中形成保護(hù)隔熱層保護(hù)樹(shù)脂不被分解燃燒，間接地就減少了燃燒過(guò)程的耗氧量。

眾所周知，環(huán)氧樹(shù)脂的整個(gè)分子鏈中，以CHn基團(tuán)為主，若能使樹(shù)脂在燃燒過(guò)程中C不以CO2或CO等形式釋放，而是轉(zhuǎn)化為隔熱不燃焦炭層，這將對(duì)熱釋放的降低有巨大作用。圖6給出了樹(shù)脂體系c、e在空氣氛圍的熱失重變化圖，從中可以看出，樹(shù)脂體系c的初始分解溫度355.3 ℃(當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)損失5%的位置)比e的初始分解溫度334.8 ℃明顯高了21 ℃，這主要是因?yàn)锳TH在300 ℃分解釋放H2O分子進(jìn)行吸熱，延緩了樹(shù)脂的分解溫度。而在最終儀器溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，樹(shù)脂體系e的35.2%剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)(殘余率)明顯高于樹(shù)脂體系c的31.9%。

圖6 樹(shù)脂體系c、e熱失重變化圖(空氣氣氛下)

從最終燃燒產(chǎn)物理論分析出發(fā)，樹(shù)脂體系c中阻燃劑成分中Al離子、Zn離子、P離子作為燃燒過(guò)程中不可揮發(fā)分，最終以氧化物或碳化物的形式殘留于樹(shù)脂燃燒殘余物中。由于它們本身就是相對(duì)分子質(zhì)量較大，會(huì)致使殘余率偏高，而樹(shù)脂體系e中三個(gè)離子的含量相對(duì)偏少，但最終殘余率卻較樹(shù)脂體系c高，這也證明了樹(shù)脂體系e在燃燒過(guò)程中可以更加有效地形成保護(hù)隔熱層，減少樹(shù)脂在高溫下的燃燒，從而有效降低最大平均熱釋放量(MAHR)。同時(shí)，殘余量增加意味著在燃燒過(guò)程中，較多樹(shù)脂向不燃焦炭層方向轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的小分子裂解氣體較少，從而實(shí)現(xiàn)煙霧濃度的降低。

2.5 不同固化制度對(duì)層壓板孔隙率及力學(xué)性能的影響

圖7是在不同固化制度下得到的層壓板的孔隙率[22-23]及力學(xué)性能的變化，層壓板分別用預(yù)浸料C、E進(jìn)行制備。從圖7中可以看出，預(yù)浸料C固化后的板材孔隙率明顯高于預(yù)浸料E，這可能是由于預(yù)浸料C的樹(shù)脂體系中阻燃劑粉體比例大，影響樹(shù)脂在固化過(guò)程中的流動(dòng)性，致使在固定壓力和有效時(shí)間內(nèi)無(wú)法快速排出層間和層內(nèi)空氣，從而導(dǎo)致最終層壓板孔隙率的上升。對(duì)于預(yù)浸料C而言，當(dāng)固化制度中第一階段固化溫度由70 ℃改變至100 ℃時(shí)，出現(xiàn)了先下降后增加的趨勢(shì)，這可能是由于當(dāng)樹(shù)脂在70 ℃、80 ℃、90 ℃溫度下保溫時(shí)，可有效加速樹(shù)脂中氣體在0.1 MPa壓力下排泡到干紗排泡區(qū)，快速沿著纖維束方向向四周快速排泡，同時(shí)帶領(lǐng)無(wú)泡樹(shù)脂高效浸潤(rùn)干紗區(qū)，而且隨著第一階段固化溫度由低向高增加，排泡效率增加。

Ⅰ—120 ℃保溫3 h；Ⅱ—70 ℃保溫1 h+120 ℃保溫2 h；Ⅲ—80 ℃保溫1 h+120 ℃保溫2 h；Ⅳ—90 ℃保溫1 h+120 ℃保溫2 h；Ⅴ—100 ℃保溫1 h+120 ℃保溫2 h圖7 不同固化制度對(duì)層壓板孔隙率及力學(xué)性能的影響

當(dāng)在100 ℃下保溫停留時(shí)，雖然可快速排泡，但樹(shù)脂在排泡過(guò)程中，固化速度加快，使得樹(shù)脂未完全浸潤(rùn)所有干紗區(qū)就出現(xiàn)凝膠甚至固化形成孔隙，最終孔隙率出現(xiàn)增加。而對(duì)于預(yù)浸料E而言，由于其樹(shù)脂體系中阻燃劑粉體比例小，樹(shù)脂流動(dòng)性大，固化速度在100 ℃時(shí)較慢，因此孔隙率整體呈下降趨勢(shì)；但當(dāng)隨著溫度的升高，孔隙率降低已不明顯，反而會(huì)加大固化過(guò)程中的能耗，因此在90 ℃保溫1 h可作為其較為理想的固化臺(tái)階。

孔隙率的存在對(duì)于層壓板的力學(xué)性能有一定的影響。層間剪切性能作為復(fù)合材料一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)，常被用來(lái)衡量預(yù)浸料的優(yōu)劣。圖7中的柱形圖也清晰地反應(yīng)了層壓板層間剪切性能與孔隙率的關(guān)系。對(duì)于預(yù)浸料C固化后板材而言，層間剪切強(qiáng)度隨孔隙率的減小，增長(zhǎng)速度緩慢，這說(shuō)明當(dāng)孔隙率大于5%時(shí)，孔隙率并不是影響層間剪切強(qiáng)度的主要因素。而對(duì)于預(yù)浸料E固化后板材而言，層壓板的層間剪切性能隨孔隙率變化增長(zhǎng)了33%，這說(shuō)明了當(dāng)孔隙率低于5%時(shí)，層間性能受孔隙率影響大。這是因?yàn)楫?dāng)層壓板在受力時(shí)，有孔隙的地方為受力薄弱點(diǎn)，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，在孔隙處提前破壞，因此相應(yīng)的力學(xué)性能就出現(xiàn)下降。

2.7 不同預(yù)浸料固化后板材對(duì)阻燃性能的影響

對(duì)于軌道交通的主承力件或次承力件碳纖維復(fù)合材料，除了力學(xué)性能的要求外，由于最終制件用于搭載乘客，因此安全防火性能也備受關(guān)注。目前，行業(yè)內(nèi)常使用可更好模擬實(shí)際火災(zāi)環(huán)境的EN45545-2標(biāo)準(zhǔn)作為阻燃測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。表7是預(yù)浸料C與E在相同固化條件下(90 ℃保溫1 h+120 ℃保溫2 h)固化后板材的阻燃測(cè)試結(jié)果。其中，最大平均熱釋放量(MARHE)是燃燒過(guò)程火勢(shì)增長(zhǎng)的關(guān)鍵，直接與材料的燃燒性相關(guān)，其值越大，火災(zāi)危險(xiǎn)性就越大。

表7 不同預(yù)浸料固化后板材阻燃性能測(cè)試結(jié)果

從表7中可以看到，預(yù)浸料E固化后板材的MARHE比預(yù)浸料C小13，意味著預(yù)浸料E固化后板材的火災(zāi)危險(xiǎn)性小。這也與上述熱失重的推測(cè)吻合，更高的殘余量，導(dǎo)致了最終測(cè)試的最大平均熱釋放量的降低。煙密度與煙霧濃度上，預(yù)浸料E固化后板材也是優(yōu)于預(yù)浸料C的。

臨界輻射通量(CFE)是描述火焰蔓延的程度，其測(cè)量值越大，意味著材料上火焰蔓延越困難，材料阻燃性能越好。臨界輻射通量測(cè)試出現(xiàn)了預(yù)浸料C固化后板材優(yōu)于預(yù)浸料E，這可能是因?yàn)闃?shù)脂體系e整體在熱失重時(shí)的起始反應(yīng)溫度較低，從而導(dǎo)致樹(shù)脂可以燃燒過(guò)程中更易起燃，進(jìn)而導(dǎo)致臨界輻射通量偏小。煙霧毒性(CITG)是影響生命安全的最關(guān)鍵因素，其值越小越好。從表7中可知，預(yù)浸料C、E固化后板材的CITG值明顯小于EN45545-2標(biāo)準(zhǔn)中HL2級(jí)別的要求，這也證明了預(yù)浸料C、E固化后板材是低煙毒性材料。

3 結(jié)論

本文通過(guò)不同樹(shù)脂體系配方，研究了體系中硼酸鋅粒徑對(duì)樹(shù)脂體系黏度的影響，并通過(guò)引入含磷環(huán)氧樹(shù)脂，減小樹(shù)脂體系中阻燃粉體含量，研究樹(shù)脂體系及預(yù)浸料固化工藝及固化后板材相關(guān)力學(xué)及阻燃性能，從中得出以下結(jié)論：

(1)3～5 μm的硼酸鋅的引入對(duì)樹(shù)脂體系的黏度影響最小，并可以有效降低復(fù)合材料燃燒過(guò)程中的煙密度。

(2)引入含磷環(huán)氧樹(shù)脂的樹(shù)脂體系e，其樹(shù)脂流動(dòng)性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)多粉體阻燃樹(shù)脂體系c，同時(shí)固化后板材的孔隙率及力學(xué)性能也優(yōu)于傳統(tǒng)多粉體阻燃體系預(yù)浸料制成的板材。

(3)含磷環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料E固化后板材阻燃性能等同于傳統(tǒng)多粉體阻燃預(yù)浸料C固化后板材，均滿(mǎn)足EN45545-2標(biāo)準(zhǔn)中HL2要求，但預(yù)浸料E固化后板材兼具力學(xué)性能及阻燃性能，可應(yīng)用于軌道交通車(chē)輛承力件及次承力件制造。