袁文婕,魏化震,李大勇,任鑫,于廣,于秋兵,邵蒙,劉文博,徐國(guó)芬,馬晟起
(山東非金屬材料研究所,濟(jì)南 250031)
傳統(tǒng)酚醛樹(shù)脂具有優(yōu)異的耐熱、耐燒蝕特性,成炭率高且力學(xué)性能良好,被作為耐燒蝕材料基體樹(shù)脂,廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-2]。目前酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備多采用模壓、布帶纏繞熱壓罐等成型方式,這類(lèi)方法不僅成本高、效率低,而且制備的材料多為二維結(jié)構(gòu),存在層間剪切強(qiáng)度低、抗沖擊性差等問(wèn)題[3-5]。因而這類(lèi)材料在高溫高壓高速氣流沖刷等苛刻環(huán)境使用時(shí),容易出現(xiàn)層間揭層現(xiàn)象[6]。為解決這一問(wèn)題,研究人員開(kāi)始采用以3維織物或2.5D織物為增強(qiáng)體的樹(shù)脂傳遞模塑成型(RTM)工藝來(lái)制備很多燒蝕防熱部件,例如,國(guó)外采用RTM工藝制備了阿麗亞娜5號(hào)運(yùn)載火箭的P80噴管[7-9]。然而因RTM工藝的特殊性,對(duì)所使用的樹(shù)脂有較高的要求:(1)注射溫度下具有低黏度(≤800 mPa·s),且對(duì)增強(qiáng)材料具有良好的浸潤(rùn)性和黏附性,利于注射成型;(2)在注射溫度具有一定的適用期且黏度變化盡可能地小,有利于長(zhǎng)時(shí)間注射;(3)盡量不含溶劑或揮發(fā)物,固化過(guò)程無(wú)(或少)揮發(fā)性小分子或副產(chǎn)物放出;(4)樹(shù)脂的抗燒蝕性和耐熱性等性能優(yōu)異[10-13]。目前,國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大多數(shù)熱固性酚醛樹(shù)脂都存在本體黏度大、反應(yīng)活性高等問(wèn)題,并不適用于RTM工藝[14]。因此合成新型的RTM用酚醛樹(shù)脂已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。華東理工大學(xué)研制的RTM用高殘?zhí)糠尤?shù)脂,黏度為200~500 mPa·s,但800 ℃殘?zhí)柯瘦^低,為64%[15]。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所制備的RTM用鋇酚醛樹(shù)脂性能也較為優(yōu)異,黏度低、殘?zhí)柯矢?,但含有溶劑[16]。田謀鋒[17]制備的RTM用酚醛樹(shù)脂固化過(guò)程小分子釋放量較少,800 ℃殘?zhí)柯蕿?7%,耐燒蝕性能優(yōu)異,但制備工藝復(fù)雜,需添加多種成分。因此筆者通過(guò)引入其他活性低、反應(yīng)位點(diǎn)較少的酚類(lèi),以制備出工藝溫度下黏度低、工藝適用期長(zhǎng)、殘?zhí)柯矢摺⒉缓軇?、制備工藝?jiǎn)單的酚醛樹(shù)脂,并對(duì)樹(shù)脂熱性能、耐燒蝕性能,以及樹(shù)脂碳化物結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。
苯酚:分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;
甲醛水溶液:37%~40%,煙臺(tái)遠(yuǎn)東試劑廠;
多環(huán)酚、萘酚、鄰甲酚、堿性催化劑:分析純,上海麥克林生化科技有限公司;
短切碳纖維:日本東麗公司;
石英2.5D纖維針刺織物、碳纖維2.5D針刺織物:安徽清水湖新材料有限公司。
旋轉(zhuǎn)黏度儀:LVDV-Ⅱ+P,美國(guó)Brookfield儀器公司;
綜合熱分析儀:STA4,德國(guó)Netzsch公司;
管式爐:HTRH70-600/16,德國(guó)Narbotherm公司;
拉曼光譜儀:Renishaw inVia plus,英國(guó)Renishaw公司;
X射線衍射(XRD)儀:Rigaku D/max-2500,日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社;
氧乙炔焰燒蝕測(cè)試儀:YS-IV,中國(guó)航天四十四所;
平板硫化機(jī):XLB-D型,浙江湖州宏圖機(jī)械有限公司。
1.3.1 RTM用酚醛樹(shù)脂的合成
按苯酚/甲醛物質(zhì)的量比為1∶1.6 (只加苯酚時(shí),苯酚/甲醛物質(zhì)的量比為1.2∶1.6),將苯酚和甲醛加入到三口瓶中,同時(shí)加入一定量的其他酚類(lèi)與催化劑,攪拌混合均勻。然后將反應(yīng)物升溫至90 ℃,反應(yīng)2 h后,減壓蒸餾至一定程度,即可得到一系列RTM用酚醛樹(shù)脂。樹(shù)脂產(chǎn)物命名及各組分投料量見(jiàn)表1。
表1 RTM用酚醛樹(shù)脂命名及各原料物質(zhì)的量Tab. 1 Naming of RTM phenolic resins and amounts of substance of raw materials mol
將樹(shù)脂放置于烘箱中按80 ℃/4 h+120 ℃/2 h+180 ℃/4 h的固化制度將樹(shù)脂進(jìn)行固化,獲得樹(shù)脂固化物。
1.3.2 酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的制備
(1) RTM工藝制備酚醛樹(shù)脂/纖維織物復(fù)合材料。
將2.5D纖維針刺織物放入模具中,并把模具放入80 ℃的烘箱中,再將酚醛樹(shù)脂倒入罐中,升溫至80 ℃后,將樹(shù)脂注入模具,待樹(shù)脂充滿型腔后,停止灌注(織物與純樹(shù)脂質(zhì)量比約為6∶4),將烘箱升溫至120 ℃固化2 h,后升溫至180 ℃固化4 h,即可獲得RTM工藝成型的酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料。
(2)模壓工藝制備酚醛樹(shù)脂/短切碳纖維復(fù)合材料。
用酚醛樹(shù)脂乙醇溶液充分浸漬短切碳纖維(碳纖維與純樹(shù)脂質(zhì)量比為1∶1),放于100 ℃烘箱中進(jìn)行處理后置于模具中,于120 ℃的壓機(jī)中進(jìn)行加壓固化2 h,后升溫至180 ℃再加壓固化4 h,即可獲得酚醛樹(shù)脂/短切碳纖維復(fù)合材料。
XRD表征:采用CuKα(λ= 0.154 nm)輻射源,發(fā)射電壓為40 kV,電流為100 mA,測(cè)試掃描范圍為3°~80°,掃描速度為8°/min。
拉曼光譜表征:采用光源為633 nm 的激光器,功率為10 mW×5%,曝光時(shí)間為10 s。
熱重(TG)分析:采用綜合熱分析儀進(jìn)行測(cè)試與分析,工作氣氛為氮?dú)猓魉贋?0 mL/min,溫度范圍從室溫至1 000 ℃,測(cè)試熱穩(wěn)定性時(shí),升溫速率為10 ℃/min,測(cè)試高溫裂解性能時(shí),升溫速率為5,10,15,20 ℃/min。
差示掃描量熱(DSC)分析:測(cè)試溫度范圍從室溫至200 ℃,升溫速率為5,10,15,20 ℃/min。
黏度測(cè)試:采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定,溫度為80 ℃。
氧乙炔焰燒蝕測(cè)試:參照GJB 323A-1996測(cè)試,燒蝕時(shí)間為8 s.
用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)80 ℃時(shí)的RTM用酚醛樹(shù)脂的黏度進(jìn)行測(cè)試,在2 h內(nèi)每隔一段時(shí)間取一次黏度值,結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出,LPR樹(shù)脂黏度最低,因?yàn)猷徏追拥泥徫蝗〈鶠榧谆?,只余兩個(gè)反應(yīng)位點(diǎn),減少了樹(shù)脂體系交聯(lián)位點(diǎn),相較于多環(huán)酚與萘酚,鄰甲酚反應(yīng)活性更強(qiáng),能更好地參與樹(shù)脂縮合反應(yīng),又因反應(yīng)位點(diǎn)少,從而降低樹(shù)脂的交聯(lián)密度與聚合度,另外甲基位阻小,對(duì)黏度影響較小,所以LPR初始黏度最低,適用期最長(zhǎng)(80 ℃)下,4 h內(nèi)樹(shù)脂黏度均低于800 mPa·s。另外鄰甲酚與其他酚共同引入制備的LBPR和LNPR樹(shù)脂的黏度分別較BPR和NPR低,證明鄰甲酚的引入能有效降低酚醛樹(shù)脂黏度。而NPR初始黏度最大的原因是萘酚反應(yīng)活性較差,不易參與樹(shù)脂反應(yīng),只能在一定程度上降低樹(shù)脂分子量,且其結(jié)構(gòu)為稠環(huán)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致分子鏈柔順性較差,因而黏度最大,不適用于RTM工藝。BPR樹(shù)脂的初始黏度也較低,介于LPR與NPR之間,多環(huán)酚的苯環(huán)間以化學(xué)鍵相連,所以多環(huán)酚的位阻作用較小,反應(yīng)活性也相對(duì)較強(qiáng),因而其初始黏度較小,適用期也較長(zhǎng)(在80 ℃下,3 h內(nèi)樹(shù)脂黏度均低于800 mPa·s),也能滿足RTM的工藝要求。
圖1 不同RTM用酚醛樹(shù)脂80 ℃黏時(shí)曲線Fig. 1 Viscosity-time curves of different RTM phenolic resins at 80 ℃
各類(lèi)RTM用酚醛樹(shù)脂固化物的TG曲線如圖2所示,相應(yīng)特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由圖2和表2看出,BPR樹(shù)脂固化物的800 ℃殘?zhí)柯首罡?,其次是NPR,LBPR和LNPR,而LPR的800 ℃殘?zhí)柯首畹?,這主要是因?yàn)長(zhǎng)PR樹(shù)脂因鄰甲酚的引入而含有較多的Ph—CH3鍵,該鍵極易斷裂,導(dǎo)致樹(shù)脂在100~300 ℃出現(xiàn)快速失重,其固化物殘?zhí)柯室沧畹?,僅有61.77%,熱穩(wěn)定性較差,且將其與多環(huán)酚或萘酚同時(shí)引入時(shí),因其熱穩(wěn)定性不好,導(dǎo)致LBPR,LNPR較無(wú)鄰甲酚的BPR,NPR殘?zhí)柯实?。多環(huán)酚與萘酚因其多環(huán)結(jié)構(gòu)不易發(fā)生裂解,高溫下較為穩(wěn)定,所得酚醛樹(shù)脂固化物熱穩(wěn)定性較好,800 ℃殘?zhí)柯瘦^高。而由多環(huán)酚制備的酚醛樹(shù)脂固化物的殘?zhí)柯氏鄬?duì)更高,為70.15%,這可能因?yàn)槠浞磻?yīng)活性較萘酚更強(qiáng),活性位點(diǎn)成鍵概率大,能夠參與反應(yīng)的量較萘酚多,所以殘?zhí)柯矢?,耐熱性更好?/p>
圖2 不同RTM用酚醛樹(shù)脂固化物的TG曲線Fig. 2 TG curves of different cured RTM phenolic resins
表2 不同RTM用酚醛樹(shù)脂固化物的TG特征數(shù)據(jù)Tab. 2 TG data of different cured RTM phenolic resins
圖3為多環(huán)酚添加量對(duì)RTM用酚醛樹(shù)脂80 ℃黏度的影響。由圖3看出,當(dāng)多環(huán)酚與苯酚的物質(zhì)的量比為0.2∶1 (BPR)時(shí),初始黏度最低,物質(zhì)的量比為0.1∶1時(shí)(BPR-1)黏度最大,這是由于多環(huán)酚的反應(yīng)活性較苯酚弱,且只有兩個(gè)反應(yīng)位點(diǎn),對(duì)位的反應(yīng)活性很低,空間位阻也較大,因而在反應(yīng)過(guò)程中能夠起到封端的效果,在樹(shù)脂合成過(guò)程中能夠降低酚醛樹(shù)脂的分子量和交聯(lián)程度,降低樹(shù)脂黏度。當(dāng)多環(huán)酚添加量少時(shí),封端作用不明顯,酚醛樹(shù)脂的交聯(lián)程度較大,黏度也較大,但當(dāng)多環(huán)酚與苯酚物質(zhì)的量比為0.3∶1 (即BPR-3)時(shí),又因位阻較大,使分子鏈柔順性降低,黏度增大,但仍低于BPR-1樹(shù)脂的黏度。
圖3 多環(huán)酚添加量不同的RTM用酚醛樹(shù)脂80 ℃黏時(shí)曲線Fig. 3 Viscosity-time curves of RTM phenolic resin with different additive amounts of polycyclic phenol at 80 ℃
多環(huán)酚添加量不同的RTM酚醛樹(shù)脂固化物的TG曲線如圖4所示,相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。根據(jù)圖4與表3結(jié)果可發(fā)現(xiàn),多環(huán)酚物質(zhì)的量從0.1 mol提升至0.2 mol時(shí),固化物殘?zhí)柯室搽S之提升,這是因?yàn)槎喹h(huán)酚添加量的增加使聚合物中芳環(huán)含量提高,結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定,樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)。然而,當(dāng)多環(huán)酚的添加量過(guò)高時(shí),殘?zhí)柯史炊档?,這是由于多環(huán)酚的含量過(guò)多時(shí),降低了樹(shù)脂的醛酚比,使得樹(shù)脂交聯(lián)密度也隨之降低,高溫下,樹(shù)脂固化物更容易被裂解,從而導(dǎo)致熱穩(wěn)定性變差。
圖4 多環(huán)酚添加量不同的RTM用酚醛樹(shù)脂TG曲線Fig. 4 TG curves of RTM phenolic resins with different additive amounts of polycyclic phenol
表3 多環(huán)酚添加量不同的RTM酚醛樹(shù)脂TG特征數(shù)據(jù)Tab. 3 Thermogravimetric data of RTM phenolic resins with different additive amounts of polycyclic phenol
綜合以上結(jié)果,當(dāng)多環(huán)酚與苯酚的物質(zhì)的量比為0.2∶1時(shí),對(duì)應(yīng)的BPR樹(shù)脂熱穩(wěn)定性較好,初始黏度較低,且樹(shù)脂適用期較長(zhǎng),可滿足RTM工藝要求,故在以下研究中均采用BPR樹(shù)脂。
圖5是BPR樹(shù)脂在不同升溫速率下的DSC曲線,通過(guò)DSC曲線可對(duì)BPR樹(shù)脂的固化行為進(jìn)行分析。由圖5看出,在固化反應(yīng)的初始階段(120 ℃前),由于溫度較低,樹(shù)脂縮合反應(yīng)較為緩慢,只有少量的小分子釋放,且小分子釋放吸熱和樹(shù)脂固化放熱作用相互抵消,所以樹(shù)脂的曲線在此階段非常平坦,也說(shuō)明了樹(shù)脂的黏度變化波動(dòng)較小,具有較長(zhǎng)的RTM工藝窗口。隨著升溫速率的增加,放熱峰愈加明顯,表明固化反應(yīng)熱隨著升溫速率的增加逐漸增大。為了消除升溫速率對(duì)樹(shù)脂體系固化的影響,確定合適的固化溫度,用不同升溫速率下的起始溫度、峰值溫度和終止溫度作圖,如圖6所示,相應(yīng)溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。然后,采用外推法求出升溫速率為0 ℃/min時(shí)各樹(shù)脂的放熱峰的特征溫度作為樹(shù)脂固化的溫度參考依據(jù),依此制定合理的固化工藝。通過(guò)外推法求得BPR樹(shù)脂的起始溫度為113.63 ℃,峰值溫度為144.12 ℃,終止溫度為161.40 ℃,該體系固化溫度適中,生產(chǎn)中易于實(shí)現(xiàn)。
圖5 BPR樹(shù)脂不同升溫速率的DSC曲線Fig. 5 DSC curves of BPR resin with different heating rates
圖6 外推法特征溫度擬合曲線Fig. 6 Characteristic temperature fitting curves by extrapolation method
表4 BPR樹(shù)脂不同升溫速率下固化峰的特征溫度Tab. 4 Characteristic temperature of curing peak of BPR resin with different heating rates
為了研究BPR樹(shù)脂的分解動(dòng)力學(xué),分別以5,10,15,20 ℃/min 的升溫速率,對(duì)BPR樹(shù)脂與PR樹(shù)脂進(jìn)行了TG分析,獲得DTG曲線與最大熱失重溫度,結(jié)果如圖7所示。然后采用Kissinger方法來(lái)計(jì)算樹(shù)脂的固化反應(yīng)參數(shù),如式(1)所示。
圖7 PR與BPR樹(shù)脂固化物在不同升溫速率下的DTG曲線Fig. 7 DTG curves of cured PR resin and cured BPR resin with different heating rates
式中:E為反應(yīng)表觀活化能;R為理想氣體常數(shù);β為升溫速率;Tp為最大熱失重溫度。
圖8 由Kissigner方法擬合得到的PR與BPR樹(shù)脂固化物的曲線Fig. 8 Curves of cured PR resin and cured BPR resin fitted by Kissigner method
為進(jìn)一步研究多環(huán)酚對(duì)樹(shù)脂裂解過(guò)程的影響,采用XRD與拉曼光譜對(duì)樹(shù)脂碳化物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。首先將BPR樹(shù)脂固化物與PR樹(shù)脂固化物置于管式爐中,在氬氣氣氛下,以10 ℃/min升溫至1 000 ℃并保溫2 h,降溫后獲得BPR與PR樹(shù)脂碳化物。圖9為BPR與PR樹(shù)脂碳化物的XRD譜圖。從圖9可以看到,樹(shù)脂在2θ≈23°和2θ≈44°左右均出現(xiàn)明顯的衍射峰,分別對(duì)應(yīng)碳材料的(002)晶面和(001)晶面,BPR樹(shù)脂碳化物的兩個(gè)峰位于23.926°和44.306°,PR樹(shù)脂碳化物的兩個(gè)峰位于23.304°和43.683°。由布拉格方程d=λ/2sinθ(d為晶面間距,λ為波長(zhǎng),θ為入射線、反射線與反射晶面之間的夾角),可求出石墨層間距d(002)。d(002)通常用來(lái)反應(yīng)石墨化程度,材料的無(wú)序度越大,d(002)就會(huì)越大。BPR樹(shù)脂碳化物的d(002)為3.71 ?,而PR樹(shù)脂碳化物的d(002)為3.82 ?,這一結(jié)果說(shuō)明多環(huán)酚的引入使樹(shù)脂在熱裂解過(guò)程中更易形成石墨碳結(jié)構(gòu),使樹(shù)脂碳化物的碳層排列得更緊密,成炭的效果更好,殘?zhí)柯矢摺?/p>
圖9 BPR與PR樹(shù)脂碳化物的XRD譜圖Fig. 9 XRD patterns of the carbonized BPR resin and PR resin
拉曼光譜是表征無(wú)機(jī)碳結(jié)構(gòu)的另一種有效手段,對(duì)BPR與PR樹(shù)脂碳化物進(jìn)行拉曼光譜分析,結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看到兩個(gè)明顯的吸收峰,分別出現(xiàn)于1 330 cm-1(D帶)和1 600 cm-1(G帶),G帶是完整性很好的石墨晶體的特征吸收峰,而D帶被認(rèn)為是石墨微晶中石墨片層的邊緣碳和熱解不完全的無(wú)序四面體網(wǎng)絡(luò)SP3雜化碳原子產(chǎn)生的特征峰。樹(shù)脂固化物碳化過(guò)程中形成的石墨微晶平面直徑(La)可通過(guò)公式(2)計(jì)算,石墨化程度(f)可通過(guò)公式(3)所示計(jì)算得出。
圖10 BPR與PR樹(shù)脂碳化物的拉曼光譜Fig. 10 Raman spectra of carbonized BPR resin and PR resin
式中:I(D)和I(G)分別為D帶和G帶的積分強(qiáng)度。
經(jīng)過(guò)計(jì)算求得BPR樹(shù)脂碳化物的La為17.75 nm,而PR樹(shù)脂碳化物的La為16.71 nm,BPR樹(shù)脂碳化物的石墨化程度為28.75%,PR樹(shù)脂的石墨化程度為27.53%。從以上數(shù)據(jù)可以看出,多環(huán)酚的引入,能夠提高樹(shù)脂在碳化裂解過(guò)程中的石墨化程度,有利于石墨晶體的生成長(zhǎng)大,這可能是由于多環(huán)酚相較于苯酚更易在高溫裂解時(shí)形成穩(wěn)定的稠環(huán)與多苯并化合物,使樹(shù)脂碳化時(shí)能夠生成更加完整的石墨晶體。
表5為不同BPR樹(shù)脂基復(fù)合材料的線燒蝕率和質(zhì)量燒蝕率。從表5可以看出,通過(guò)RTM工藝制備的BPR樹(shù)脂/石英纖維復(fù)合材料與BPR樹(shù)脂/碳纖維復(fù)合材料具有較為優(yōu)異的耐燒蝕性能,可作為耐燒蝕材料應(yīng)用于防熱部件上,這證明了BPR樹(shù)脂既可以滿足RTM工藝的要求,也能滿足熱防護(hù)材料的應(yīng)用要求。另外,為研究多環(huán)酚的引入對(duì)樹(shù)脂耐燒蝕性能的影響,通過(guò)模壓工藝將BPR樹(shù)脂與BR樹(shù)脂制備成復(fù)合材料,測(cè)試了兩者的線燒蝕率和質(zhì)量燒蝕率,結(jié)果見(jiàn)表5??梢钥闯?,BPR樹(shù)脂復(fù)合材料的耐燒蝕性能明顯優(yōu)于PR樹(shù)脂,這證明了多環(huán)酚的引入可以提升酚醛樹(shù)脂的耐燒蝕性能。
表5 不同BPR樹(shù)脂基復(fù)合材料的燒蝕結(jié)果Tab. 5 Ablation results of different BPR resin based composites
(1)通過(guò)對(duì)比不同類(lèi)型酚類(lèi)對(duì)RTM用酚醛樹(shù)脂黏度及熱穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)引入鄰甲酚合成的酚醛樹(shù)脂(LPR)雖然在80 ℃的黏度低,適用期長(zhǎng),但殘?zhí)柯瘦^低,而多環(huán)酚合成的酚醛樹(shù)脂(BPR)雖然在80 ℃的黏度不及LPR樹(shù)脂,但已能滿足RTM工藝的需要,且其殘?zhí)柯矢?,因而多環(huán)酚更適合制備用于RTM工藝的高殘?zhí)俊⒌宛ざ取㈤L(zhǎng)適用期的酚醛樹(shù)脂。
(2)研究了多環(huán)酚的添加量對(duì)樹(shù)脂黏度及熱穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明,多環(huán)酚的物質(zhì)的量為苯酚物質(zhì)的量的20%時(shí),樹(shù)脂性能最好。
(3) DSC表明BPR樹(shù)脂的固化溫度適中,且有較長(zhǎng)的工藝窗口,能夠滿足RTM成型工藝要求。
(4)多環(huán)酚由于其多苯環(huán)的熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu),能夠有效提升酚醛樹(shù)脂的裂解活化能,減小樹(shù)脂碳化物的石墨層間距,擴(kuò)大石墨微晶平面直徑,提升石墨化程度,使得樹(shù)脂擁有更好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。另外,多環(huán)酚的引入令酚醛樹(shù)脂的耐燒蝕性能也得到了提升,通過(guò)RTM工藝制備的復(fù)合材料的耐燒蝕性能優(yōu)異,有較大的應(yīng)用前景。