HGB对TDE-85/E-51/B-63/70酸酐体系性能的影响

邹 敏 严伟星 李晓奋 耿志刚 赵 奎 李鹏飞



HGB对TDE-85/E-51/B-63/70酸酐体系性能的影响

邹 敏 严伟星 李晓奋 耿志刚 赵 奎 李鹏飞

（西安长峰机电研究所，西安 710065）

考察了HGB对TDE-85/E-51/B-63/70酸酐体系力学性能及烧蚀性能的影响，并通过TG和DSC表征了体系热性能。结果表明：加入HGB后，环氧体系剪切强度有所降低，拉伸强度提高18％，耐烧蚀性能提高了20％以上。

TDE-85；70酸酐；HGB；性能；影响

1 引言

高性能中空玻璃微珠（HGB）是一种良好的隔热耐温材料，其内部空心结构中含有一定的空气气体，具有超轻质、低导热、有效隔温且耐冲击的优点[1，2]。可用做填充改性树脂，制备出具有保温功能、质轻和力学性能好的聚合物/中空微球复合材料[3]。

将HCG以一定比例加入到环氧树脂体系中，待体系固化后，玻璃微珠形成一层“保护膜”，其粒状颗粒会紧密排列在一起，形成隔热层，微珠中的空气形成热源的“屏障”，阻隔热传递作用，从而使产品具有良好的隔热效果[4]。

将一定比例加入到TDE-85/ E-51/ B-63/70酸酐体系中，对体系进行改性，考察了HGB的加入对体系力学性能，烧蚀性能的影响，同时通过DSC和TG表征了加入HGB后体系的热性能。

2 实验

2.1 实验原料

高性能空心玻璃微珠（HGB）；4, 5-环氧环己烷-1， 2-二甲酸二缩水甘油酯(TDE-85)，环氧值：0.85；甘油环氧树脂（B-63），环氧值：0.55～0.71；二酚基丙烷缩水甘油醚(E-51)，环氧值：0.48～0.54；70酸酐，酸值：720～750；N、N-二甲基苄胺。

2.2 仪器设备及测试表征

a. 用CTM 5204型微机控制电子万能试验机：最大负荷20kN，测试拉剪及拉伸性能，分别按GB/T 7124—86及GB/T 1447—2005进行测试；

b. 用SDTA851e型热失重（TG）表征复合材料在室温至600℃时热失重状态，升温速率10℃/min；

c. 用822e型差示量热扫描仪（DSC）研究材料的热反应特性，升温速率10℃/min，测试温度为80～400℃。

2.3 试样制备

a．将TDE-85、E-51和B-63按照1:1:0.5比例在60℃混合均匀，按照24:1的比例分别加入70酸酐固化剂和N，N-二甲基苄胺促进剂，按照质量份5%加入HGB，混合搅拌至均匀；

b．固化制度：80℃/1h；120℃/1h；160℃/5h。

3 结果与讨论

3.1 加入HGB体系与未加入HGB体系剪切性能对比

在室温25℃时，分别将HGB/TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系与未加入HGB的环氧体系进行剪切试件测试，测试结果如表1所示。

表1 加入HGB与未加HCG体系剪切性能测试对比

从表1可以看出，加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系的剪切强度均值为22.00MPa，而未加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系的剪切强度均值为23.76MPa，未加入HGB的环氧体系剪切强度稍高。有文献论证，在室温时，TDE-85/ E-51环氧树脂体系按照不同的质量配比，其剪切强度范围集中在20～30MPa之间[5]。

如表1所示，两组数据均在正常范围，而加入HCG环氧体系剪切强度偏低可能是由于HGB与环氧体系相容性差，结合力弱，当受到外力作用时，HGB发生整体脱落，黏接表面存在缺陷导致性能下降[6]。

3.2 加入HGB体系与未加入HGB体系拉伸性能对比

在室温25℃时，分别将加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系与不加HGB的体系进行拉伸试件测试，测试结果如表2所示。

表2 加入HGB与未加HGB体系拉伸性能测试对比

从表2看出，加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系拉伸强度均值为39.68MP，比未加入HGB的环氧体系拉伸强度均值高大约18%。可能是由于，当试件受到外力拉扯时，试件受到应力破换断裂时，HGB包含的空气会阻隔裂纹的扩展方向，使原本开裂方向发生转移，此时需要比不加HCG体系更大的断裂应力才能使材料出现开裂破坏[7]。因此体系中适当添加HGB，可以使复合材料的拉伸强度增加。

3.3 加入HGB体系与未加入HGB体系TG对比分析

本文用TG表征了加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系与未加入HGB的环氧体系热性能。升温速率为10℃/min，试验温度40～600℃。TG曲线如图1、图2所示。

图1 未加入HGB体系的TG曲线

图2 加入HGB体系的TG曲线

从图1看出，未加入HGB的TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系在390℃时发生了热分解，在480℃时热分解达到顶峰，在600℃，环氧体系全部分解，无残碳；如图2所示，体系热分解温度及热分解达到顶峰温度与图1基本一致，在600℃时，残碳率达到12％。可能是由于HGB中含有的Si、Al、B等元素本身熔点很高，他们均匀的包裹在环氧体系周围形成一层“保护膜”，随着温度升高，HGB既保护了碳化层，又吸收了一定热量[8]，起到了隔热的作用。

3.4 加入HGB体系与未加入HGB体系DSC对比分析

本文考察了HGB对TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系的DSC曲线。具体情况如图3、图4所示。升温速率为10℃/min，试验温度40～400℃。

图3 未加入HGB体系的DSC曲线

图4 加入HGB体系的DSC曲线

加入HGB树脂体系与未加入HGB环氧树脂体系的DSC曲线基本吻合，在225℃左右开始固化，在285℃固化完全，在315℃时有一个较小的峰，考虑可能是由于高温作用下，环氧体系支链发生断裂；375℃为环氧体系的分解温度，在此温度下，体系开始碳化，产生了大量的小分子，因此出现了一个较大的放热峰。

4 加入HGB体系与未加入HGB体系烧蚀性能对比

分别对未加入HCG的环氧体系与加入HCG的环氧体系烧蚀试件进行氧—乙炔焰烧蚀。10s后，两种状态下线烧蚀率及质量烧蚀率结果如表3所示。

表3 加入HGB体系与未加入HGB体系烧蚀性能对比

通过表3看出，不加HGB的环氧体系线烧蚀率均值为0.590 mm/s，质量烧蚀率均值为0.265g/s，而加入5％质量份HGB后，体系的线烧蚀率及质量烧蚀率均有所下降，为0.488mm/s及0.247g/s。加入HGB后，环氧体系耐烧蚀性能提高了20％以上。可能是由于玻璃微珠的中空结构，将环氧树脂包裹在微珠内，阻隔了氧——乙炔焰对试样的烧蚀，起到了隔热耐烧蚀效果，另外，HGB的导热系数低于树脂[9]，因而将其加入到树脂体系中很大程度改善了体系的耐热性能；再者，玻璃微珠的主要成分为SiO2、Al2O3及硼化物等，在与环氧体系搅拌过程中，硼原子与环氧支链紧密连接，交联度增大，因此，耐烧蚀性能有大幅提高。

5 结束语

实验证明，在TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系中加入HGB后，体系的剪切性能降低，拉伸性能，耐烧蚀性能约提高20%；室温600℃时残碳率达到12％，加入HGB树脂体系与未加入HGB环氧树脂体系的DSC曲线基本吻合，在225℃左右开始固化，在285℃固化完全，375℃为环氧体系的分解温度，在此温度下，体系开始碳化。

1 Hu Xiao, Xu Hongsheng, Li Zhongming. Morphology and properties of poly (L—Lactide) (PLLA) Filled with Hollow Glass Beads[J]. Macromolecular Materials and Engineering, 2007, 292(5)：646～654

2 Patankar S N., Kranov Y A. Hollow glass microsphere HDPE composites for low energy sustainability[J]．Materials Science and Engineering A, 2010, 527(6)：1361～1366

3 梁基照，李锋华. 中空玻璃微珠填充聚丙烯复合材料导热系数的测定[J]．塑料科技，2006，34(2)：49～51

4 靳涛，刘立强，李德华. 玻璃微珠在隔热涂料中的隔热性能研究[J]. 山东科技大学学报（自然科学版），2009，28(1)：60～63

5 邹敏，李鹏飞，赵奎. 中空玻璃微珠对高硅氧/酚醛体系性能的影响[J].航天制造技术，2016，8(4)：25～27

6 李军伟，朱森，吴湘锋. 影响中空玻璃微珠填充PS复合材料性能的因素[J]. 合成树脂与塑料，2011，28(2)：12～15

7 张麟，刘峰，杨长红，等. PF／高硅氧布／HGB 复合材料力学性能研究[J]. 工程塑料应用，2013，41(12)：23～27

8 张麟，刘锋，李建，等.HGB 含量对SiO2 /PF 复合材料性能的影响[J]. 宇航材料工艺，2014，(3)：58～61

9 梁基照，刘冠生. 中空玻璃微珠填充PP复合材料耐热性能研究[J]. 现代塑料加工应用，2005，17(3)：35～37

Influences of HGB to Properties of TDE-85/E-51/B-63/THPA System

Zou Min Yan Weixing Li Xiaofen Geng Zhigang Zhao Kui Li Pengfei

(Xi’an Changfeng Research Institute of Mechanism and Electricity, Xi’an 710065)

The influences of HGB to TDE-85/E-51/B-63/THPA system on mechanical properties and ablation properties were reviewed in this paper. The thermal behaviors were characterized by TG and DSC. The results show that the shear strength decreases, the tensile strength increases 18%, and the ablative performance increases by more than 20% of the system by joining HGB.

TDE-85；THPA；HGB；property；influence

邹敏（1984），硕士，材料加工工程专业；研究方向：复合材料模压。

2017-02-13