摘 要

环氧树脂具有良好的机械性能、粘接性能、耐化学腐蚀性能以及优异的电绝缘性能等优点，广泛应用于电子电器、涂料、复合材料等领域。然而，普通环氧树脂的易燃特性制约了其在有防火要求领域的使用。因此，提高环氧树脂体系的阻燃性能，有助于扩大环氧树脂的应用范围。根据阻燃剂能否与环氧树脂反应，阻燃剂可分为反应型和添加型；相比添加型阻燃剂，反应型阻燃剂具有与基体相容性好、耐迁移析出、阻燃效果持久、对材料其他性能的负面影响小等优点。合成含阻燃基团的环氧固化剂，通过固化反应将阻燃成分以化学键合的方式引入基体中，是制备本质阻燃环氧树脂的主要方法之一。

另一方面，由潜伏型固化剂与环氧树脂混合配制而成的单组份环氧树脂体系是预浸料最常用的树脂体系。基于现代工业对高效生产的要求，预浸料的发展方向是在低温下具有较长的适用期，并在升温条件下能快速固化成型。因此，兼具长效潜伏与快速固化特性的环氧固化剂成为国内外研究与开发的重点。咪唑类固化剂含有叔胺氮原子，能引发环氧基团进行阴离子链式聚合，具有中温快速固化的特点。但常用咪唑类固化剂的室温固化活性较高，与环氧树脂混合后适用期较短，不能作为单组份体系较长时间储存。通过化学合成方法向咪唑类固化剂分子结构中引入特定基团是制备咪唑类潜伏型固化剂的有效方法。近年来，咪唑类固化剂潜伏性改性研究是咪唑类固化剂改性领域和单组份环氧树脂体系制备领域的研究重点。

对此，本文采用实验室自制的“含磷咪唑类衍生物”，制备了兼具“长效潜伏”和“本征阻燃”特性的新型环氧树脂体系，用于制备碳纤维预浸料及其复合材料。研究表明，此类碳纤维预浸料的适用期可达两个月，固化成型后制备的碳纤维复合材料具有优异的阻燃性能和力学性能。

关键词：碳纤维复合材料；环氧树脂；预浸料；阻燃；力学性能

Abstract

Epoxy resin has the advantages of good mechanical properties, adhesion properties, chemical resistance and excellent electrical insulation, etc. It is widely used in the areas of electronic appliances, coatings, composite materials and so on. However, the common epoxy resin is flammable, which restricts its application in the fields with fire protection requirements. Therefore, improving the flame retardancy of epoxy resin system is helpful to expand the application range of epoxy resin. Flame retardants are often divided into reactive type and additive type, according to whether they react with epoxy resin. Compared with the additive flame retardant, the reactive flame retardant has the advantages of good compatibility, resistance to migration and precipitation, lasting flame retardancy and less negative impact on other properties of materials. Epoxy curing agent containing flame retardant group has been prepared and the flame retardant component has been introduced into matrix material through curing reaction by chemical bonding, which is the main method for the preparation of intrinsical flame retardant epoxy resin.

On the other hand, the one-component epoxy resin system, which is composed of latent curing agent and epoxy resin, is the most commonly used resin system for prepreg. Based on the demand of high efficiency production in modern industry, the development direction of prepregs is to have a long pot life at low temperatures, and it can be rapidly cured during heating. Therefore, epoxy curing agent with long-term latency and fast curing characteristics has become the focus of research and development at home and abroad. The imidazole-based curing agent contains a tertiary amine nitrogen atom, which induces chain polymerizations of epoxy groups, and has the characteristic of fast curing at medium temperature. But the curing activity of imidazole-based curing agent is so high at room temperature, and the pot life of epoxy resin mixture is too short, which cannot be stored as a one-component system for a long time. The introduction of specific groups into the molecular structure of imidazole curing agent by chemical synthesis is an effective method to prepare imidazole latent curing agent. In recent years, the research on latent modification of imidazole curing agent is the focus of research in the field of imidazole curing agent modification and the preparation of one-component epoxy resin system.

In this paper, laboratory-made "phosphorus containing imidazole derivatives" were used to prepare novel epoxy resin systems with long shelf life and intrinsic flame retardant property，which were then used to prepare carbon fiber prepregs and the corresponding composites. The results indicated that the shelf life of these prepregs can reach two months, and the composites have good flame retardant and mechanical properties.

Key Words：Carbon-fiber composites; Epoxy resin; Prepreg; Flame retardant; Mechanical property

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 预浸料用环氧树脂体系概述及其阻燃改性意义 1

1.2.1 环氧树脂简介 1

1.2.2 预浸料用环氧树脂体系概述 2

1.2.3 环氧树脂及其复合材料阻燃改性的意义 2

1.3 环氧树脂的燃烧行为和阻燃机理 2

1.3.1 环氧树脂的燃烧行为 2

1.3.2 环氧树脂的阻燃机理 3

1.4 阻燃剂分类概述 3

1.4.1 磷系阻燃剂 4

1.4.2 氮系阻燃剂 5

1.4.3 硅系阻燃剂 6

1.4.4 膨胀型阻燃剂 6

1.5 本征阻燃环氧树脂的研究现状 7

1.6 咪唑类潜伏型固化剂的研究现状 7

1.7 论文的研究意义与内容. 8

1.7.1 论文的研究意义 8

1.7.2 论文的主要研究内容 8

第2章 材料的制备及表征 9

2.1 实验原料 9

2.2 实验仪器 9

2.3 含磷咪唑类固化剂的制备 9

2.4 单组分环氧树脂体系及环氧固化物的制备 11

2.5 碳纤维预浸料及CFRP的制备 12

2.6 测试与表征 13

第3章 结果与讨论 14

3.1 单组分环氧树脂体系的固化行为及储存期研究 14

3.1.1 单组分环氧树脂体系的固化行为研究 14

3.1.2 单组分环氧树脂体系的储存期研究 16

3.2 环氧固化物的燃烧性能研究 17

3.2.1 环氧固化物的阻燃性能研究 17

3.2.2 环氧固化物的燃烧行为研究 18

3.3 碳纤维复合材料的阻燃性能研究 20

3.4 碳纤维复合材料的力学性能研究 20

第4章 总结与展望 21

参考文献 22

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景

全球能源日益紧缺，环境污染愈发严重，面对这些现象，节能减排这一课题在世界范围内越来越受到重视。燃油的使用是石油消耗与尾气排放的主要来源，如何减少燃油用量是改善全球气候问题的重要环节。实现节能减排的有效途径之一是轻量化技术，轻量化技术的物质基础则是对于轻量化材料的研究。

用于达成轻量化目的材料通常有高强度钢，一些轻质的合金，此外还有先进的复合材料。与其他的轻量化材料相比，碳纤维复合材料（CFRP）的密度只有钢的百分之二十、铝的百分之五十，但其强度和模量却比高强度钢和轻质铝合金好上许多，是一种具有非常明显的轻量化优势的结构材料；此外，CFRP还具有耐腐蚀、耐疲劳、冲击性能优秀、减震性能好、可设计性强和便于整体成型等优点。作为新一代轻量化材料，CFRP已在车辆、轨道交通、船舶、航空航天等领域取得了相当规模的应用。

然而，要实现CFRP在上述领域更大规模的应用，必须解决复合材料的火灾安全问题。环氧树脂的物理机械性能优秀、热性能、工艺性能极佳并且它还具有很好的尺寸稳定性，常用作CFRP的基体材料，但未经改性的环氧树脂属于易燃材料。另一方面，预浸料成型工艺是制备高性能CFRP最主要的成型方法之一，而碳纤维预浸料必须使用具有室温长效潜伏特性的单组分环氧树脂体系。因此，具有室温长效潜伏和优异阻燃性能的单组分环氧树脂体系具有很高的研究价值和意义。

1.2 预浸料用环氧树脂体系概述及其阻燃改性意义