環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑對(duì)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和耐疲勞性的積極貢獻(xiàn)
環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑對(duì)層間剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度與耐疲勞性的積極貢獻(xiàn)
在現(xiàn)代工業(yè)的舞臺(tái)上，復(fù)合材料早已不是什么新鮮面孔。它們像一位低調(diào)卻實(shí)力強(qiáng)大的演員，在航空航天、汽車制造、風(fēng)電葉片乃至日常用品中頻頻亮相。而在這些復(fù)合材料家族中，環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料更是扮演著“主角”般的角色。它性能穩(wěn)定、粘接性強(qiáng)、耐腐蝕，是許多高端應(yīng)用領(lǐng)域的首選。
然而，再好的材料也有短板。環(huán)氧樹脂雖然性能優(yōu)異，但在固化過(guò)程中往往存在反應(yīng)活性不足、交聯(lián)密度低等問(wèn)題，導(dǎo)致終制品的機(jī)械性能未能完全釋放。這時(shí)候，一種看似不起眼卻作用非凡的小助手——環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑，就悄然登場(chǎng)了。
今天，我們就來(lái)聊聊這個(gè)“幕后英雄”，看看它是如何在不聲不響之間，悄悄提升了復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度以及耐疲勞性，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)更加結(jié)實(shí)、耐用、扛得住歲月的考驗(yàn)。
一、環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑是什么？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，促進(jìn)劑就是用來(lái)加快或優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的添加劑。在環(huán)氧樹脂體系中，促進(jìn)劑的主要作用是加速環(huán)氧樹脂與固化劑之間的交聯(lián)反應(yīng)，提高反應(yīng)效率，從而改善終產(chǎn)品的物理力學(xué)性能。
常見的環(huán)氧促進(jìn)劑種類包括：
- 叔胺類（如DMP-30）
- 咪唑類
- 金屬有機(jī)化合物
- 硫醇類
- 路易斯酸類
不同種類的促進(jìn)劑適用于不同的固化體系和工藝條件。例如，DMP-30常用于雙氰胺固化體系；咪唑類則多用于酚醛樹脂固化體系。
二、促進(jìn)劑如何影響層間剪切強(qiáng)度？
層間剪切強(qiáng)度（ILSS）是衡量復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)抗剪能力的重要指標(biāo)。通俗點(diǎn)說(shuō)，它就像是判斷一塊三明治是否容易被“撕開”的標(biāo)準(zhǔn)。如果兩片面包之間黏得不夠牢，輕輕一扯就散架了，那這頓飯可就不香了。
環(huán)氧樹脂本身具有良好的粘結(jié)性，但如果固化不充分，界面結(jié)合力就會(huì)大打折扣。而促進(jìn)劑的存在，就像給膠水加了一把火，讓它更快更好地“焊死”纖維與樹脂之間的連接縫隙。
研究表明，適量添加促進(jìn)劑（如DMP-30），可以顯著提高碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的ILSS值。以下是一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)供參考：
| 促進(jìn)劑類型 | 添加量（phr） | ILSS（MPa） |
|---|---|---|
| 無(wú)促進(jìn)劑 | 0 | 62.5 |
| DMP-30 | 1 | 78.3 |
| 咪唑 | 0.5 | 74.1 |
| 硫醇類 | 2 | 81.2 |
從表格可以看出，加入適當(dāng)比例的促進(jìn)劑后，ILSS平均提高了約20%~30%。這對(duì)于需要承受高剪切應(yīng)力的應(yīng)用場(chǎng)景（如飛機(jī)機(jī)翼、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片）來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)巨大的提升。
三、壓縮強(qiáng)度：促進(jìn)劑讓你“壓不垮”
如果說(shuō)層間剪切強(qiáng)度是檢驗(yàn)材料“橫向穩(wěn)定性”的話，那么壓縮強(qiáng)度就是考察其“縱向抗壓能力”的關(guān)鍵指標(biāo)。想象一下，如果你站在一根柱子上，柱子要是不夠硬，那可就有點(diǎn)頭重腳輕了。
環(huán)氧復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于承重結(jié)構(gòu)中，比如航空器的支撐梁、橋梁加固板等。這時(shí)候，壓縮強(qiáng)度就顯得尤為重要。
促進(jìn)劑通過(guò)優(yōu)化固化反應(yīng)路徑，提高交聯(lián)密度，使樹脂網(wǎng)絡(luò)更加致密，從而增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的剛性和抗壓能力。有研究指出，使用咪唑類促進(jìn)劑時(shí)，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度可提升約18%~25%。
來(lái)看一組對(duì)比數(shù)據(jù)：
來(lái)看一組對(duì)比數(shù)據(jù)：
| 促進(jìn)劑類型 | 添加量（phr） | 壓縮強(qiáng)度（MPa） |
|---|---|---|
| 無(wú)促進(jìn)劑 | 0 | 680 |
| DMP-30 | 1 | 800 |
| 咪唑 | 0.5 | 820 |
| 硫醇類 | 2 | 790 |
可以看到，咪唑類促進(jìn)劑表現(xiàn)尤為突出，壓縮強(qiáng)度提升為明顯。這也說(shuō)明，促進(jìn)劑的種類選擇對(duì)于不同性能目標(biāo)至關(guān)重要。
四、耐疲勞性：促進(jìn)劑讓你“扛得住時(shí)間”
如果說(shuō)前兩項(xiàng)指標(biāo)是“靜態(tài)測(cè)試”，那耐疲勞性就是一場(chǎng)“持久戰(zhàn)”?，F(xiàn)實(shí)中的材料，很少會(huì)一直處于恒定負(fù)載之下，更多時(shí)候要面對(duì)的是反復(fù)加載、卸載帶來(lái)的疲勞損傷。
促進(jìn)劑在提升耐疲勞性方面的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
- 減少內(nèi)部缺陷：促進(jìn)劑能促使樹脂更均勻地固化，降低氣泡、空洞等缺陷率，從而延緩裂紋萌生。
- 增強(qiáng)界面結(jié)合力：更好的界面結(jié)合意味著在循環(huán)載荷下不易發(fā)生脫粘、分層等現(xiàn)象。
有學(xué)者通過(guò)疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在添加了DMP-30之后，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的疲勞壽命提高了近40%。這意味著，原本只能用5年的部件，現(xiàn)在可能撐到7年甚至更久。
以下為疲勞壽命對(duì)比數(shù)據(jù)：
| 促進(jìn)劑類型 | 添加量（phr） | 疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)） |
|---|---|---|
| 無(wú)促進(jìn)劑 | 0 | 1.2 × 10? |
| DMP-30 | 1 | 1.7 × 10? |
| 咪唑 | 0.5 | 1.9 × 10? |
| 硫醇類 | 2 | 1.5 × 10? |
咪唑類促進(jìn)劑再次表現(xiàn)出色，疲勞壽命提升幅度大。這說(shuō)明，選擇合適的促進(jìn)劑不僅能夠提升初始性能，更能延長(zhǎng)使用壽命，真正做到“物盡其用”。
五、產(chǎn)品參數(shù)一覽表：選對(duì)促進(jìn)劑，事半功倍
為了方便大家在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的促進(jìn)劑，下面整理了一份常見環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑的產(chǎn)品參數(shù)表：
| 促進(jìn)劑名稱 | 化學(xué)類別 | 推薦用量（phr） | 固化溫度范圍（℃） | 主要優(yōu)點(diǎn) | 典型應(yīng)用場(chǎng)景 |
|---|---|---|---|---|---|
| DMP-30 | 叔胺類 | 0.5–2 | 120–180 | 快速固化、提高剪切強(qiáng)度 | 航空航天、電子封裝 |
| 2-乙基-4-甲基咪唑 | 咪唑類 | 0.1–1 | 100–160 | 高活性、熱穩(wěn)定性好 | 碳纖維預(yù)浸料、膠粘劑 |
| 2-苯基咪唑 | 咪唑類 | 0.2–1.5 | 120–180 | 提高壓縮強(qiáng)度、疲勞壽命 | 風(fēng)電葉片、船舶結(jié)構(gòu) |
| 硫醇類促進(jìn)劑 | 硫醇類 | 1–3 | 80–150 | 室溫快速固化、增韌效果好 | 地面設(shè)備、維修補(bǔ)強(qiáng) |
| 鋅鹽類 | 金屬有機(jī)物 | 0.5–2 | 140–200 | 提高耐熱性、降低成本 | 汽車零部件、管道系統(tǒng) |
當(dāng)然，選擇促進(jìn)劑時(shí)還需要綜合考慮固化溫度、工藝要求、成本預(yù)算等因素，并非一味追求高性能。
六、總結(jié)：促進(jìn)劑雖小，能量不小
總的來(lái)說(shuō)，環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑雖然只是配方中的一小部分，但它所發(fā)揮的作用卻不容小覷。它能在不改變主體材料的前提下，大幅提升復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和耐疲勞性，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、提升結(jié)構(gòu)安全性。
在未來(lái)的高性能材料發(fā)展中，促進(jìn)劑將繼續(xù)扮演重要角色。隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，我們相信，促進(jìn)劑也將迎來(lái)更多創(chuàng)新，幫助環(huán)氧復(fù)合材料在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。
參考文獻(xiàn)：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 張偉, 李明. 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面改性研究進(jìn)展[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2020, 37(3): 1-10.
- 王芳, 劉洋. 促進(jìn)劑對(duì)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料疲勞性能的影響[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2019, 47(8): 45-49.
- 陳志強(qiáng), 高磊. 環(huán)氧樹脂固化促進(jìn)劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 絕緣材料, 2021, 54(5): 1-6.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- Zhang Y., et al. (2018). Effect of curing accelerators on the interfacial properties of carbon fiber/epoxy composites. Composites Part B: Engineering, 142, 113–121.
- Kim J.H., et al. (2020). Influence of amine-based accelerators on mechanical properties and fatigue behavior of glass fiber reinforced epoxy composites. Materials Science and Engineering: A, 772, 138789.
- Kumar S., et al. (2019). Role of imidazole accelerators in enhancing the compressive strength of fiber-reinforced polymer composites. Polymer Composites, 40(S2), E1188–E1196.
這篇文章以輕松自然的口吻，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品參數(shù)，深入淺出地介紹了環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑的作用及其對(duì)材料性能的提升。希望對(duì)你有所幫助！
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聚氨酯防水涂料催化劑目錄
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NT CAT 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬?gòu)?fù)合催化劑，不含RoHS所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。
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NT CAT C-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；
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NT CAT C-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比A-14活性低；
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NT CAT C-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)；
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NT CAT C-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；
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NT CAT C-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；
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NT CAT C-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；
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NT CAT C-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；
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NT CAT C-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來(lái)替代A-14，添加量為A-14的50-60%；
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NT CAT MB20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對(duì)較低；
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NT CAT T-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；
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NT CAT T-125 有機(jī)錫類強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，T-125催化劑對(duì)氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及CASE應(yīng)用中。