动态扭振法测定热固性树脂的固化曲线-高分子物理-实验12-12

实验十二 动态扭振法测定热固性树脂的固化曲线

一、实验目的

1．通过对热固性树脂等温固化曲线的测定，了解其固化历程，求取凝胶化时间、固化

时间和固化反应表观活化能。

2．理解如何利用动态力学的方法来研究固化过程，并学习到我们创建的研究热固性树

脂和树脂基复合材料固化的动态扭振法。

3．学习把非电量的物理量（长度、扭矩、应力和应变等）转变为电量（电阻、电容和

电感等）的技术要点。

二、实验原理

热固性树脂的固化属线形高分子的交联，历程复杂。高分子一旦发生交联就不溶不熔，

致使固化过程的研究十分困难。传统上对固化的研究采用化学分析、红外光谱、量热法等化学手段来分析反应官能团的转化率。然而在固化的最后阶段官能团消耗程度的增加已经不明显，致使这些分析的灵敏度和功能大为减小。而正是这个最后固化阶段对固化产物的性能有很大影响，在很大程度上决定了固化树脂的最佳性能。

但固化总与力学性能有关。从力学性能来看，固化过程是树脂聚合物模量逐渐增加的过

程。在某些分析技术灵敏度急剧下降的固化最后阶段，其在力学强度上却有很好的反映，不同的固化程度可以通过它们模量的变化反映出来。因此，用力学的方法可以很好地研究热固性树脂的固化过程。使用动态力学方法可以由一个单独的实验来监测聚合物从液态到固态交联树脂转变的固化全过程，逼真地模拟整个成型工艺，并反映材料力学性能随温度变化的规

图1. 树脂固化仪及其原理图

1.测力传感器；

2.上模；

3.下模；

4.偏心轮；

5.扭振电机；

6.升降电机；

7.变速箱

律，得到一些固化反应表观动力学的数据。在筛选配方的固化条件时，它和力学破坏实验相比省力省时，颇受工业界的欢迎。

动态扭振法是我们创立的研究热固性树脂和树脂基复合材料固化的新方法，它是强迫振动

非共振法的一种，它以一定速率不断对树脂固化剂体系作小角度扭振，测定为维持这扭振所必需的扭矩的变化。随着固化程度的增加，树脂的模量变大，扭矩也随之增加，因此这扭矩的大小就反映了树脂的固化程度。动态扭振法是强迫振动非共振法的一种。根据这个方法原理构造的树脂固化仪装置原理见图1。仪器主要由三部分组成，即温度的控制和测量，扭矩的测定和记录，机械传动。内装加热丝的下模3填充待测树脂试样，合模后由它作小角度的扭振运动。开动升降电机6使上模2 (也装有加热丝)向下运动而合模，上下模之间的间距可以根据需要加以调节。一挨合模，扭振电机迫使下模3扭振。扭振的角度也可根据固化后树脂的硬度不同由减速齿轮上的偏心轮4调整。扭振运动通过树脂层传给上模2，并由应变片电桥组成的测力传感器1转换为电量，经放大器放大后记录。上下模的温度由各自的温控装置调控。所有动作均由计算机控制。

实验得到的是一条如图2所示的连续曲线。横轴是固化时间，纵轴是为使树脂作小角度扭振所需要的扭矩。因为它对应于固化体系的模量，因此可以看作是热固性树脂固化程度的一个相对参数。那么实验曲线的外包络线就能够看作是热固性树脂的固化曲线。固化起始时间为O ，在OA 段时间里固化还没有表现出来，树脂一直保持液体的状态，反映

在固化曲线上就是一条直线。从A 点开始，线形

的高分子链交联使本来是液态的树脂开始出现凝胶，丧失流动性。所以OA 段反映的时间就是

热固性树脂的凝胶化时间t g . t g 是热固性树脂浇铸工艺的极限时间。也对树脂基复合材料加压点的选择有重要参考意义。A 点以后树脂的模量

增加，增加的快慢反映固化反应速度。因此曲线AB 段的斜率就是树脂的固化速度。以后随时

间的增加，模量的改变渐趋平坦，最后达到平衡，即达到了完全固化。再延长固化时间对固化过程不起多大作用，因此，这就是树脂的最合宜固化时间t 0。 并从这模量平衡值的大小可估算树脂的固化程度。若比较不同配比、不同温度下的固化程度，就可得到完整的固化工艺条件、最佳配比、最合宜固化温度和固化时间。

与其它的动态力学方法相比，动态扭振法的优点在于它定量跟踪固化反应，一旦固化反

应完成，整个固化曲线也就同时得到了。而从这固化曲线可以得到许多热固性树脂固化反应的有关信息。

图2. 等温固化实验曲线

t g 为凝胶化时间, t c 为完全固化时间, G ∞

为极大扭矩

三、动态扭振法的应用 1．确定最佳固化体系

如上所述，树脂固化仪能定量跟踪固化反应，固化反应完成，整个固化曲线也就同时得到，

因此，动态扭振法是确定树脂—固化剂最佳体系和该体系最佳固化条件(最合宜固化温度和最佳固化时间)的简捷方法。把由传统的破坏性试验的结果与动态扭振法的结果比较最能说明问题。图3是安徽一号环氧树脂胶—固化剂体系同一配比分别60 ℃、80 ℃和100 ℃下和三个

(a)

G /(N -m )

t /min

A:B

(b)

G /(N -m )

t /min

不同配比下60℃的等温固化曲线；图4 则是同一树脂体系不同配比和不同温度下的剪切强度

试验，两个试验都得出在配比为5:1和60 ℃下等温固化安徽一号环氧树脂胶有最好的胶接性

能，相符很好。 图 3 安徽一号环氧树脂不同温度 (a)和不同配比(b)下的等温固化曲线

热固性树脂最佳固化条件的确定在生产中具有特殊的作用。一方面，最佳树脂—固化剂配方能保证产品的使用性能；另一方面，在确保产品质量的前提下，确定最佳固化温度和固化时 间有可能缩短生产周期和降低能耗，提高生产效率。某电器厂生产的大型高压互感器一直沿用

τ /(N /m 2)

τ /(N /m 2)

A:B

T / ℃

(a)

(b)

图4 安徽一号环氧树脂体系配比(a) 和固化温度(b)对剪切强度的影响