住友(SUMITOMO)扩大了用于碳纤维增强复合材料的环氧树脂和PES产品范围

来源:国际塑料商情

发布时间:2020年4月1日下午 02:04:18

易于加工的新型环氧树脂和PES专为满足航空/航天对碳复合材料不断增长的需求而开发
 
 
航空航天行业一直在寻找坚硬、结实、轻巧的材料来应对温度的快速变化、广泛的化学物质接触环境,这些材料还必须具有出色的抗疲劳性和较长的使用寿命。由于复合材料密集型飞机的成功发布(例如:波音公司于2011年推出的787Dreamliner和空客公司于2015年推出的A350XWB),复合材料在商用飞机上的应用已大大增加,因为它们能够减轻飞机重量、降低燃油消耗和维护成本并提高其耐腐蚀性和抗疲劳性。为了更好地为美国航空/航天领域的客户提供支持,住友化学株式会社开发了两种新型环氧树脂,它们具有更高的粘度,因此更易于加工,此外还有新的聚醚砜(PES)添加剂,它能够增强碳纤维增强环氧树脂复合材料的断裂韧性和微裂纹扩展阻力。
 
为了满足航空航天业对高性能和高产率碳复合材料的需求,住友化学(SumitomoChemical)开发了两种适用于预浸料生产的新型环氧树脂。与标准航空航天产品——粘度为11,900mPa-s的Sumi-Epoxy™ELM434相比,新型434L产品的粘度是8,200mPa-s,新型434VL产品的粘度是5,100mPa-s。住友还推出了两种适用于更高温度的产品(Sumi-EpoxyELM-100和100H),两者的Tg均为260℃,而ELM-434标准产品的温度为230℃(见表1)。
 
住友还扩大了其用于环氧树脂复合材料的SumikaExcel™PES微粉末增韧剂的产品范围。除了标准产品SumikaExcel5003P之外,它还推出了更低分子量的新产品2603P。标准的5003P产品的粘度是0.52dl/g,而新的2603P产品的粘度是0.26(均以1%PES在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中测得@25℃)。5003P的分子量(Mw)是42,000,而2603P的分子量是16,000。此外,5003P用差示扫描量热仪测得的Tg是227℃,而2603P的Tg是220℃。新的2603P产品还拥有比标准产品更多的羟基(-OH)(每100单位4.5和每100单位1.1)。
 
SumikaExcel2603P是一种有利于航空航天复合材料的低粘度PES添加剂,因为环氧树脂/PES基体组合的粘度与PES分子量密切相关,即使在低降低比下也是如此。最初的SumikaExce5003P添加剂能够有效改善环氧树脂复合材料的断裂韧性,但由于混合树脂体系具有高粘度——尤其是在预浸料生产过程中,配方设计人员并不能随心所欲地添加所需数量的添加剂。通过选用更低粘度的2603P,配方设计人员目前已能提高PES与环氧树脂的比例,从而进一步提高复合材料成品的韧性。此外,配方设计人员也可以添加其他聚合物和添加剂来进一步改善复合材料的功能特性。还有一个方法是,配方设计人员可以选择一个较低粘度的Sumi-Epoxy新产品代替较低分子量的PES来降低组合聚合物基体的粘度。
 
环氧树脂是一种热固性聚合物,具有出色的耐热性和耐化学性、电阻率和机械性能,尤其是用碳纤维、芳纶纤维、硼纤维或玻璃纤维增强时。除了能够通过矿物填料、增强纤维、增粘剂、减粘剂、增稠剂、着色剂、促进剂、增塑剂、共反应剂等轻松改性,环氧树脂还可通过配制来提供广泛的性能,扩大它们的应用范围,包括高性能涂料、结构粘合剂、用于塑料和复合材料部件成型的模具、用于风能、汽车、船舶和航空/航天工业的结构复合材料以及电子元件(包括电路板和半导体密封剂以及变压器和电感器的灌封料等)等应用领域。
 
表1 由于美国航空航天业需要具有优异的机械性能和更高生产率的碳纤维增强复合材料,住友化学株式会社开发了两种适用于预浸料生产的新 型环氧树脂(粉色列)。 与该公司的标准航空级产品相比,Sumi-Epoxy™ ELM 434的粘度是11,900 mPa-s(蓝色列),新型434L产品的粘度 是8,200 mPa-s,新型434VL产品的粘度是5,100 mPa-s。此外,住友还推出了两种适用于高温的产品(Sumi-Epoxy ELM-100和100H——白色 列),它们的Tg均为260℃,而ELM-434标准产品的温度为230℃
 
 
表2 除了标准产品SumikaExcel™ 5003P PES(蓝色列),该公司还推出了更低分子量的新产品2603P(粉色列)。标准的5003P产品的粘度 是0.52 dl/g,而新的2603P产品的粘度是0.26(均以1% PES在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中测得@25℃)。5003P的分子量(Mw)是 42,000,而2603P的分子量是16,000。此外,5003P用差示扫描量热仪测得的Tg是227℃,而2603P的Tg是220℃。新的2603P产品还拥有比 标准产品更多的末端羟基(-OH)基团(每100单位4.5和每100单位1.1)。无论是用于预浸料生产还是用作树脂传递模塑(RTM)的聚合物, PES在微粉末状时都能够有效提高环氧树脂复合材料的断裂韧性和微裂纹扩展阻力。它在广泛的温度范围内都拥有这些性能而不会影响尺寸稳 定性、火焰/烟雾/毒性(FST)、抗蠕变性、模量、冲击强度和抗屈强度。在用作环氧树脂复合材料的功能添加剂时,具有羟基(-OH)端基的 特定PES产品可与环氧树脂基体上的缩水甘油基反应形成交联的互穿聚合物网络(IPN)
 
 
PES是一种透明琥珀色的无定形工程热塑性塑料,具有出色的高温性能、高强度和高抗冲击性,在高温和高负荷下具有出色的抗蠕变性,优异的尺寸稳定性,在广泛的温度范围内具有低线性热膨胀系数(CLTE),固有阻燃性,低烟,极少漏气,还有良好的耐化学性和耐热水性。颗粒型PES适用于注塑成型、挤出和薄膜工艺,粉末状PES适用于浇铸膜、滤膜或用作环氧树脂基复合材料、高温涂料和粘合剂的添加剂。PES材料可用于航空航天、汽车、电气/电子、医疗设备和食品加工行业。
 
PES在微粉末状时是一种非常有效的添加剂,无论是用于预浸料生产还是用作树脂传递模塑(RTM)的聚合物,它都能够提高环氧树脂复合材料的断裂韧性和微裂纹扩展阻力。它在广泛的温度范围内都拥有这些性能而不会影响尺寸稳定性、火焰/烟雾/毒性(FST)、抗蠕变性、模量、冲击强度和抗屈强度。在用作环氧树脂复合材料的功能添加剂时,具有羟基(-OH)端基的特定PES产品可与环氧树脂基体上的缩水甘油基反应形成交联的互穿聚合物网络(IPN)。尽管该添加剂通常以2-12wt%的低降低比使用,它也为IPN增加了更多的柔韧性,进而提高了环氧树脂复合材料的韧性。PES的玻璃化转变温度(Tg)通常是225-230℃,高于航空级环氧树脂的平均温度120-200℃。由于PES添加剂还具有良好的刚度和强度,因此能够提高产品的抗冲击性和抗裂性而不影响其他热力学性能。对航空航天应用尤为重要的是,它能够在不影响FST或模制能力并保持非常严格的公差的情况下完成这些工作。它通常与高性能碳纤维增强环氧树脂复合材料一起使用,但也可与玻璃纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维增强的环氧树脂一起使用。
 
住友还可提供定制环氧树脂和PES产品(包括环氧树脂等级的PES添加剂)来满足客户对可加工性和功能性的特定要求。
 
 
 
 
 
 
 
本文由住友化学供稿,荣格编译

 

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