環(huán)氧樹(shù)脂原料對(duì)復(fù)合材料浸潤(rùn)性和纖維增強(qiáng)效果的影響
環(huán)氧樹(shù)脂原料對(duì)復(fù)合材料浸潤(rùn)性和纖維增強(qiáng)效果的影響
大家好，我是材料圈里的一名“老油條”，從業(yè)多年，摸過(guò)不少樹(shù)脂、搞過(guò)不少纖維，今天咱們不聊高大上的碳中和、新能源，也不談什么納米材料、智能響應(yīng)聚合物。今天咱就聊聊一個(gè)看似不起眼、實(shí)則極其關(guān)鍵的話題——環(huán)氧樹(shù)脂原料對(duì)復(fù)合材料的浸潤(rùn)性和纖維增強(qiáng)效果的影響。
這話題聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)技術(shù)范兒，但別擔(dān)心，我盡量用接地氣的語(yǔ)言，把這事兒講清楚，讓你聽(tīng)完之后不僅能明白原理，還能在飯桌上跟朋友吹兩句：“哎喲，你別說(shuō)，我對(duì)樹(shù)脂那點(diǎn)事兒還挺了解?！?/p>
一、從一杯咖啡說(shuō)起：什么是“浸潤(rùn)性”？
你有沒(méi)有試過(guò)往一塊玻璃上倒水？水很快鋪開(kāi)，均勻地覆蓋整個(gè)表面，這就是“良好的浸潤(rùn)性”。可如果你把水倒在荷葉上呢？水珠滾來(lái)滾去就是不沾邊，這就叫“浸潤(rùn)性差”。
在復(fù)合材料的世界里，浸潤(rùn)性就像是樹(shù)脂與纖維之間的“相親見(jiàn)面會(huì)”。如果它們倆“看對(duì)眼了”，樹(shù)脂就能很好地包裹住纖維，形成牢固的結(jié)合界面；反之，如果“八字不合”，樹(shù)脂包不住纖維，復(fù)合材料就像沒(méi)炒熟的菜一樣松散無(wú)力。
而環(huán)氧樹(shù)脂，作為目前應(yīng)用廣的熱固性樹(shù)脂之一，它能不能“搞定”纖維，很大程度上取決于它的原材料成分。
二、環(huán)氧樹(shù)脂是個(gè)啥玩意兒？
環(huán)氧樹(shù)脂（Epoxy Resin）其實(shí)是一個(gè)統(tǒng)稱，它不是一種具體的物質(zhì)，而是指含有兩個(gè)或以上環(huán)氧基團(tuán)的一類聚合物。常見(jiàn)的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂（EPON 828、DER 331等），是我們?nèi)粘Ｉ钪泻芏鄰?fù)合材料的核心“粘合劑”。
環(huán)氧樹(shù)脂本身是液態(tài)的，加入固化劑后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變成堅(jiān)硬的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程中，樹(shù)脂需要滲透進(jìn)纖維之間，形成“骨架+肌肉”的結(jié)構(gòu)，才能讓復(fù)合材料既輕又強(qiáng)。
所以，環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)、粘度、極性、官能團(tuán)分布等因素，都會(huì)影響它與纖維的親和力，也就是我們說(shuō)的“浸潤(rùn)性”。
三、不同環(huán)氧樹(shù)脂原料的特性對(duì)比
為了讓大家有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，我整理了一張表格，列出了幾種常見(jiàn)的環(huán)氧樹(shù)脂原料及其主要參數(shù)：
| 樹(shù)脂類型 | 化學(xué)結(jié)構(gòu) | 環(huán)氧當(dāng)量（g/eq） | 粘度（mPa·s） | 官能度 | 特點(diǎn)描述 |
|---|---|---|---|---|---|
| 雙酚A型環(huán)氧 | 雙酚A + 環(huán)氧氯丙烷 | 170-190 | 1000-15000 | 2 | 成本低、強(qiáng)度高，但脆性較大 |
| 脂肪族環(huán)氧 | 長(zhǎng)鏈脂肪族結(jié)構(gòu) | 250-400 | 500-3000 | 1-2 | 柔韌性好，耐低溫，但耐熱性差 |
| 酚醛環(huán)氧 | 多官能團(tuán)結(jié)構(gòu) | 150-200 | 50000-100000 | 4-6 | 耐高溫、耐腐蝕，但加工難度大 |
| 溴化阻燃環(huán)氧 | 含溴元素 | 300-400 | 20000-80000 | 2 | 具有自熄性，適用于電子封裝 |
| 改性環(huán)氧（如橡膠改性） | 加入彈性體增韌劑 | 180-220 | 10000-50000 | 2 | 提高韌性，適合航空航天領(lǐng)域 |
這張表告訴我們一個(gè)道理：沒(méi)有好的環(huán)氧樹(shù)脂，只有適合的環(huán)氧樹(shù)脂。選材要因地制宜，不能一股腦全用貴的，也不能圖便宜瞎湊合。
四、浸潤(rùn)性好不好，看三點(diǎn)：粘度、極性、官能度
1. 粘度：越稀越好？
理論上是這樣。粘度低的樹(shù)脂更容易流動(dòng)，進(jìn)入纖維束之間，形成良好的界面結(jié)合。比如脂肪族環(huán)氧，雖然性能一般，但它粘度低，在一些低溫應(yīng)用場(chǎng)合反而更受歡迎。
不過(guò)也不能太稀，太稀了容易流失，固化時(shí)收縮率也大，反而影響終性能。
2. 極性：異性相吸？
環(huán)氧樹(shù)脂通常帶有一定的極性，尤其是雙酚A型，極性強(qiáng)，容易與同樣具有極性的纖維（如玻璃纖維、碳纖維）發(fā)生作用，增強(qiáng)界面結(jié)合力。
但如果是非極性的纖維（如聚乙烯纖維），這時(shí)候就得靠表面處理或者添加偶聯(lián)劑來(lái)“牽線搭橋”了。
3. 官能度：多一點(diǎn)更好？
官能度指的是每個(gè)分子中有幾個(gè)可以參與反應(yīng)的環(huán)氧基團(tuán)。官能度越高，交聯(lián)密度越大，材料硬度越高，但也會(huì)變得更脆。
比如酚醛環(huán)氧，官能度高達(dá)4~6，固化后非常硬，耐高溫，但加工困難，適合做電路板、航天器外殼這類對(duì)強(qiáng)度要求極高、但不需要柔韌性的場(chǎng)合。
五、纖維種類不同，樹(shù)脂也要“投其所好”
纖維是復(fù)合材料中的“骨架”，常見(jiàn)的有玻璃纖維、碳纖維、芳綸（Kevlar）、玄武巖纖維、天然纖維（如亞麻）等等。
不同纖維的表面化學(xué)性質(zhì)、粗糙度、吸濕性都不一樣，所以對(duì)樹(shù)脂的要求也各不相同。
不同纖維的表面化學(xué)性質(zhì)、粗糙度、吸濕性都不一樣，所以對(duì)樹(shù)脂的要求也各不相同。
下面是一張常見(jiàn)纖維與環(huán)氧樹(shù)脂匹配建議表：
| 纖維種類 | 表面特性 | 推薦環(huán)氧類型 | 增強(qiáng)效果評(píng)分（滿分5分） |
|---|---|---|---|
| 玻璃纖維 | 含硅氧化物，略帶極性 | 雙酚A型、酚醛環(huán)氧 | ⭐⭐⭐⭐☆ |
| 碳纖維 | 表面惰性，光滑 | 改性環(huán)氧、高官能度環(huán)氧 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| 芳綸纖維 | 高極性，易吸濕 | 脂肪族環(huán)氧、橡膠改性環(huán)氧 | ⭐⭐⭐☆☆ |
| 玄武巖纖維 | 類似玻璃纖維 | 雙酚A型 | ⭐⭐⭐⭐☆ |
| 天然纖維（亞麻） | 含木質(zhì)素、纖維素 | 改性環(huán)氧、低粘度脂肪族環(huán)氧 | ⭐⭐⭐☆☆ |
可以看到，碳纖維雖然是“貴族”，但它表面太光滑，不容易被樹(shù)脂“抓住”，這時(shí)候就需要用一些特殊處理手段，比如表面氧化、等離子處理，再配上改性環(huán)氧，才能發(fā)揮出它的極致性能。
六、實(shí)際案例分析：航空復(fù)合材料中的樹(shù)脂選擇
舉個(gè)例子，波音787夢(mèng)幻客機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身大量使用了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。這種材料之所以被選中，是因?yàn)樗粌H輕，而且強(qiáng)度高、疲勞壽命長(zhǎng)。
在選擇環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，工程師們傾向于使用高官能度的酚醛環(huán)氧，搭配橡膠改性體系，以提高其抗沖擊性能和耐高溫能力。
另一個(gè)例子是國(guó)內(nèi)某無(wú)人機(jī)廠商，他們?cè)缙谟玫氖瞧胀p酚A型環(huán)氧，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛行中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂紋。后來(lái)?yè)Q成了縮水甘油胺型環(huán)氧，配合芳香胺固化劑，大大提高了界面結(jié)合力和整體強(qiáng)度，問(wèn)題迎刃而解。
這些案例說(shuō)明了一個(gè)真理：材料選得好，事半功倍；選錯(cuò)了，神仙也救不了。
七、如何提升浸潤(rùn)性和增強(qiáng)效果？
既然環(huán)氧樹(shù)脂和纖維的關(guān)系這么重要，那我們?cè)撛趺础按楹稀彼鼈兡兀窟@里有幾個(gè)小妙招：
1. 添加偶聯(lián)劑
像KH550、KH560這樣的硅烷偶聯(lián)劑，可以在樹(shù)脂和纖維之間“搭橋”，提高界面結(jié)合力。就像紅娘一樣，幫它們牽上線。
2. 控制樹(shù)脂粘度
通過(guò)調(diào)節(jié)溫度、添加稀釋劑等方式，控制樹(shù)脂粘度在一個(gè)合適的范圍，既能保證流動(dòng)性，又能防止過(guò)度流失。
3. 纖維表面處理
對(duì)碳纖維進(jìn)行酸洗、等離子處理，或者對(duì)玻璃纖維進(jìn)行上漿處理，都能顯著改善其與樹(shù)脂的親和性。
4. 使用共混改性樹(shù)脂
比如在環(huán)氧樹(shù)脂中加入聚氨酯、聚酰亞胺等改性劑，可以有效提升韌性、降低內(nèi)應(yīng)力，從而增強(qiáng)復(fù)合材料的整體性能。
八、未來(lái)趨勢(shì)：環(huán)保與高性能并重
隨著環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)，傳統(tǒng)溶劑型環(huán)氧樹(shù)脂逐漸被無(wú)溶劑、水性環(huán)氧所取代。同時(shí)，生物基環(huán)氧樹(shù)脂也開(kāi)始嶄露頭角，比如用植物油合成的環(huán)氧大豆油樹(shù)脂，不僅環(huán)保，還具備一定的柔韌性和耐候性。
另一方面，隨著5G通信、航空航天、新能源汽車的發(fā)展，對(duì)高性能復(fù)合材料的需求也在不斷增長(zhǎng)。未來(lái)的環(huán)氧樹(shù)脂不僅要“粘得牢”，還要“扛得住高溫高壓、耐得了輻射電磁”。
結(jié)語(yǔ)：環(huán)氧樹(shù)脂雖小，作用卻大
總的來(lái)說(shuō)，環(huán)氧樹(shù)脂是復(fù)合材料世界里的“粘合大師”，它的好壞直接決定了復(fù)合材料能不能“站得穩(wěn)、走得遠(yuǎn)”。而要想讓它發(fā)揮佳性能，必須從原料出發(fā)，綜合考慮粘度、極性、官能度、纖維種類等多個(gè)因素。
正如一句老話說(shuō)得好：“巧婦難為無(wú)米之炊?！痹俸玫墓に?，如果沒(méi)有合適的材料打底，也只能是空中樓閣。所以，我們?cè)谧非笙冗M(jìn)制造的同時(shí)，千萬(wàn)別忘了材料科學(xué)這個(gè)基礎(chǔ)。
后，附上幾篇國(guó)內(nèi)外著名文獻(xiàn)供有興趣的朋友參考：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)推薦：
- 李建平, 張偉. 《環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料界面優(yōu)化研究進(jìn)展》, 高分子材料科學(xué)與工程, 2021.
- 王建國(guó), 劉洋. 《碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料界面調(diào)控技術(shù)綜述》, 材料導(dǎo)報(bào), 2020.
- 陳立新, 趙曉東. 《高性能環(huán)氧樹(shù)脂在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀》, 航空材料學(xué)報(bào), 2022.
國(guó)外文獻(xiàn)推薦：
- M. K. Choudhary, et al. "Effect of Epoxy Resin Structure on Interfacial Adhesion in Fiber-Reinforced Composites", Journal of Applied Polymer Science, 2019.
- A. J. Kinloch, et al. "Toughening Mechanisms in Composite Materials", Composites Part B: Engineering, 2018.
- Y. Li, et al. "Recent Advances in Bio-based Epoxy Resins and Their Applications in Composites", Green Chemistry, 2020.
希望這篇文章能讓您對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂和復(fù)合材料有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。下次見(jiàn)到飛機(jī)、賽車、甚至你家的釣魚竿，不妨想想背后那些默默奉獻(xiàn)的樹(shù)脂分子吧！
謝謝大家閱讀，咱們下期再見(jiàn)！
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公司其它產(chǎn)品展示:
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NT CAT T-12 適用于室溫固化有機(jī)硅體系，快速固化。
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NT CAT UL1 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，活性略低于T-12。
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NT CAT UL22 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性比T-12高，優(yōu)異的耐水解性能。
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NT CAT UL28 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，該系列催化劑中活性高，常用于替代T-12。
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NT CAT UL30 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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NT CAT UL50 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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NT CAT UL54 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性良好。
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NT CAT SI220 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠，活性比T-12高。
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NT CAT MB20 適用有機(jī)鉍類催化劑，可用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性較低，滿足各類環(huán)保法規(guī)要求。
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NT CAT DBU 適用有機(jī)胺類催化劑，可用于室溫硫化硅橡膠，滿足各類環(huán)保法規(guī)要求。