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杨超凡·环氧树脂基材与环氧树脂

杨超凡

5月前浏览709

环氧树脂基材与环氧树脂

替代金属材料制造结构零件的，碳纤维复合材料是由两部分组成。一是增强材料碳纤维；二是基体材料树脂。这里的树脂是以环氧树脂为主，再添加其他功能材料组成的化学产品，叫环氧树脂基材（matrix）。

环氧树脂基材（matrix）与环氧树脂是截然不同两种化工材料。环氧树脂基材（matrix）仅用于复合材料中。对于不同的产品、不同的制造方法，有不同的配方，需要量身定制。而通常所说的环氧树脂是商品，在市场上可以买到。它广泛用于许多用途。

环氧树脂的主要用途:

通用粘合剂

水泥和灰浆的粘合剂
刚性泡沫
防滑涂料
在石油钻探中使砂质表面凝固剂
工业涂料
灌封和封装介质
环氧树脂基材（matrix）

与其他传统热固性树脂或热塑性树脂相比，环氧树脂具有明显的优点，包括：

低固化收缩
优秀的抗湿性
优良的耐化学性
良好的电气性能
增加了机械和疲劳强度抗冲击
无挥发性有机化合物
长保质期

常用环氧树脂基复合材料制造产品所用工艺方法：

敞开式模塑法(open molding)
纤维缠绕（Filament Winding）
拉挤成型(Pultrusion)
树脂转移模塑（RTM-resin transfer moldin）
树脂罐注（Resin infusion ）
压缩成型(Compression Molding)
半固化片和热压罐固化（Prepreg and autoclave）
真空灌注（Vacuum Infusion）
自动铺丝（AFP—automated fiber placement）
自动铺带（ATL—automated tape laying）
3D打印（3-D Printing）

化学性质

环氧树脂是一种热固性聚合物树脂，其树脂分子中含有一个或多个环氧基团。化学成分可根据最终用途的需要调整以完善分子量或粘度。环氧树脂有两种主要类型：缩水甘油基环氧树脂和非缩水甘油基环氧树脂。缩水甘油环氧树脂可进一步定义为缩水甘油胺、缩水甘油酯或缩水甘油醚。非缩水甘油环氧树脂可以是脂肪族树脂，也可以是环脂肪族树脂。双酚A (Bisphenol A )是最常见的环氧树脂之一，它与环氧氯丙烷反应合成。另一种常用的环氧树脂是酚醛环氧树脂。环氧树脂在固化时加入固化剂，通常也称为硬化剂。最常见的固化剂是胺基的。与聚酯或乙烯基酯树脂不同，在聚酯或乙烯基酯树脂中，只需添加少量(1-3%)催化剂，而环氧树脂通常需要以树脂与固化剂的比例高得多的比例(通常为1:1或2:1)添加固化剂。固化剂(B部分)与基树脂(A部分)在加成反应中按固定比例共反应。因此，正确的树脂与固化剂的配比是保证反应完全的关键。否则，树脂既不能完全固化，也不能达到其全部性能。固化剂的类型影响固化树脂的最终性能，从而影响复合材料的最终性能。固化剂包括脂肪族胺、环脂肪族胺、聚酰胺、芳香胺、酸酐、酚类、硫醇和潜在固化剂(如路易斯酸)。

环氧树脂基材是以某种环氧树脂为基础，添加不同量的固化剂、再添加增塑剂和其他功能材料，组成的高分子化学产品。用哪种环氧树脂?哪种固化剂，用多少?添加什么功能材料？都是商业秘密。

航空航天应用的环氧树脂基材，90%基础树脂是双酚A缩水甘油醚的环氧树脂。胺类固化剂。它需要在高的温度和压力下固化。另外还要添加热塑性塑料和活性橡胶化合物，以抵消高度交联造成的脆性，增加韧性。目前这种增韧环氧树脂基材，固化时间需要8 - 10小时。

汽车工业所用的环氧树脂基材，采用了不同配方的固化剂和添加剂，它的固化时间可以在4 - 5分钟以内（快速固化）。

不同的环氧树脂基材存储、运输、保管的环境和寿命期，也大不相同。

不同的环氧树脂基材要与不同牌号的碳纤维配套使用，才能发挥最佳性能。

资料中看到的国外环氧树脂基材

3900-2B,制造波音787机身、机翼
M21E, 制造空客A350机身、机翼
977，制造民机机身球面框
8552，制造民机活动面
PRISM® EP 2400，制造俄罗斯MC-21机翼
Cytec 890 RTM，制造空客A220机翼（原庞巴迪C系列）
Araldite LY3031,环氧树脂，固化剂Aradur3032（快速固化）
Araldite LY 3585环氧树脂，固化剂XB 3458。制造宝马i3的复合材料零件（快速固化）
Araldite LY 3585环氧树脂，固化剂Aradur3475（快速固化）
TRAC 06000环氧树脂，固化剂EKTRAC 06130。制造宝马7系复合材料零件（快速固化）
TRAC 06170环氧树脂，TRAC06170固化剂（快速固化）
VORAFORCE5530（快速固化）
Daron 120（快速固化）
Daron 150（快速固化）
Daron200（快速固化）
XMTR 750（快速固化）
XMTR710（preg.）（快速固化）
Hexply M77 （preg.）（快速固化）
G83C（快速固化）
KIBOKO®， CTD公司制造V型复合材料储氢罐
3960，制造民机机身、机翼的最新环氧树脂基材(不用热压罐固化)

结束语：

国内有许多非复合材料专业媒体，在报道文章中经常把“环氧树脂基材”写成“环氧树脂”。这一用词错误再加上其他因素，造成只要有了碳纤维，环氧树脂基碳纤维复合材料就不成问题了，更加严峻的错误认识。目前，我国碳纤维已经进入世界先进行列。但环氧树脂基材和其他树脂基材，与世界先进水平差距太大。特别是没有能够用于民机受力结构件的环氧树脂基材。以至于国产民机ARJ21、C919和CR929 (机身试验件)所用的碳纤维复合材料，不得不购买美国材料。

“环氧树脂基材”与“环氧树脂”是截然不同的两种化工产品。这就好像辣椒酱与辣椒不是一种食材。

- 完 -

杨超凡 2019.12.31

作者简介：杨超凡，飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。

注：本文由杨超凡研究员创作，如需转载请注明作者及出处。

文章链接：

杨超凡·独家解读复合材料及制造技术

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