環(huán)氧樹脂是重要的通用熱固性樹脂，其原材料種類繁多，配方與工藝靈活多樣，廣泛應用在涂料、膠黏劑、電子電器材料、工程塑料、高性能復合材料、液晶等材料中。
環(huán)氧樹脂泡沫材料是一類由環(huán)氧樹脂與氣體共同構成的多孔高性能復合材料。與目前市場上常見的聚苯乙烯泡沫和聚氨酯泡沫相比，環(huán)氧樹脂泡沫材料具有力學性能與電性能良好、耐溶劑、耐水、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異等特點，廣泛應用于汽車、電子、航空航天及軍工等領域。環(huán)氧樹脂泡沫材料的制備方法根據(jù)氣體來源不同，可分為物理發(fā)泡法、化學發(fā)泡法和空心微珠填充法。物理發(fā)泡法通常使用沸點較低的液體作為發(fā)泡劑，發(fā)泡過程中，液體發(fā)泡劑受熱汽化而在環(huán)氧樹脂基體中形成泡沫結構。
超臨界CO2具有優(yōu)異的溶解與擴散性能，作為物理發(fā)泡劑，其在聚合物泡沫制備中受到廣泛關注。將超臨界CO2 作為發(fā)泡劑制備環(huán)氧樹脂泡沫，是該類材料開發(fā)的一種新途徑?；瘜W發(fā)泡法是制備環(huán)氧樹脂泡沫的常用方法，該方法利用化學發(fā)泡劑受熱分解產生的氣體分散于環(huán)氧樹脂基體中來形成泡沫結構，主要分為一步法和兩步法?？招奈⒅樘畛浞▌t是在環(huán)氧樹脂基體中添加中空微珠，從而形成泡沫結構的方法。采用該方法制得的材料常稱為環(huán)氧樹脂復合泡沫材料，其密度較高，強度也較大。
環(huán)氧樹脂泡沫材料因具備優(yōu)異的力學性能，常用于結構件制造。在實際生產中，這類結構件的性能與貯存壽命均有嚴格要求，但目前有關環(huán)氧樹脂泡沫材料貯存壽命的研究較少。為此，研究人員采用化學發(fā)泡劑，依據(jù)兩步法制備了環(huán)氧樹脂泡沫材料，并以抗拉強度為老化性能評價指標，通過熱空氣加速老化試驗，對其貯存壽命進行研究，旨在為該類材料的應用提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。
1 試驗方法
1.1 主要原料
試驗所用原料包括：雙酚A型環(huán)氧樹脂；芳香胺；聚酰胺；酰肼類有機發(fā)泡劑；表面活性劑。
1.2 主要設備
試 驗 所 用 設 備 主 要 包 括：電 子 天 平；強力電動攪拌機；電熱鼓風干燥箱；電子萬能試驗機；熱重分析（TGA）儀；掃描電子顯微鏡（SEM）；模具（自制）。
1.3 試樣制備
將雙酚A型環(huán)氧樹脂、固化劑、有機發(fā)泡劑及表面活性劑加入3個燒瓶中，在40~60℃下攪拌1h進行預聚反應，隨后將混合物料澆注入模具中進行固化發(fā)泡，脫模后即得環(huán)氧樹脂泡沫材料，其密度為0.48g/cm3。
1.4 測試與表征
掃描電子顯微鏡分析：對環(huán)氧樹脂泡沫材料的斷面進行噴金處理，隨后用SEM觀察其微觀形貌。熱重分析：采用梅特勒TGA2熱重分析儀，分別在氮氣和空氣環(huán)境下對環(huán)氧樹脂泡沫材料進行測試，溫度為30~800 ℃，升溫速率為10℃/min。
熱空氣加速老化試驗：參照GB/T 9641—2025《硬質泡沫塑料 拉伸性能的測定》規(guī)定的試樣形狀和尺寸，在環(huán)氧樹脂泡沫體上加工制備拉伸試樣。將鼓風干燥箱升溫至設定溫度（100 ，110，120，130℃），放入拉伸試樣，對試樣進行熱空氣老化試驗，按預定時間間隔取樣并測試其抗拉強度。
將熱空氣老化處理的環(huán)氧樹脂泡沫試樣在23℃環(huán)境中放置24h，隨后按照GB/T 9641—2025標準進行拉伸試驗，拉伸速率為10mm/min。每組試樣數(shù)量不少于5個，測試結果取平均值。
2 試驗結果與討論
2.1 環(huán)氧樹脂泡沫材料的微觀結構
采用兩步化學發(fā)泡法制備環(huán)氧樹脂泡沫材料，其密度為0.48g/cm3，圖1為材料切斷面的SEM形貌。由圖1可知：該環(huán)氧樹脂泡沫材料的泡孔結構均勻且致密。
環(huán)氧樹脂泡沫材料的SEM 形貌如圖2所示。由圖2可知：該泡沫材料的泡孔為閉孔結構，呈規(guī)則球體或橢球體，且大小較為均勻；其泡孔直徑約為100~200μm。
2.2 熱失重分析
環(huán)氧樹脂材料的貯存壽命與其熱穩(wěn)定性密切相關，而熱重分析是表征聚合物材料熱穩(wěn)定性的重要手段。空氣和氮氣環(huán)境下環(huán)氧樹脂泡沫材料的熱失重曲線如圖3所示。由圖3可知：在氮氣環(huán)境下，環(huán)氧樹脂泡沫材料僅有一個主要的熱失重階段，分解后殘?zhí)悸始s為30%；而在空氣環(huán)境下，其分解過程更為復雜，主要分為3個失重階段，分解得也更為徹底，殘?zhí)悸蕛H約為5%。
在熱重曲線中，常用失重5%時對應的溫度T5%來表征聚合物的熱穩(wěn)定性。由圖3可知：在氮氣環(huán)境下，環(huán)氧樹脂泡沫材料的T5%為 334.7℃；而在空氣環(huán)境下，其T5%為258.3℃。這表明氮氣環(huán)境下材料的熱穩(wěn)定性更高。綜上可知，空氣中的氧氣是影響環(huán)氧樹脂泡沫材料熱穩(wěn)定性和貯存壽命的重要因素。
2.3 壽命預測理論依據(jù)
環(huán)氧樹脂材料老化的主要原因是在特定溫度下，氧自由基引發(fā)環(huán)氧樹脂基體主鏈化學鍵斷裂，發(fā)生鏈式反應，從而導致主鏈降解。降解產生的鏈自由基可進一步催化主鏈降解反應，最終破壞基體的三維網狀結構，使環(huán)氧樹脂材料的力學性能下降。
聚合物老化是指由化學反應引起材料力學性能下降的過程。設聚合物材料某物理性能的初始值為P0，當其降至失效臨界值Pc時所經歷的時間為τ，則該老化過程如式（1）所示。
而K和溫度的關系可以用Arrhenius 公式描述，如式（2）所示。
根據(jù)不同溫度條件下、不同時間點的物理性能試驗數(shù)據(jù)，利用式（1）可計算得到相應溫度下的反應速率常數(shù)。再通過式（2）進行外推，獲得貯存溫度下的反應速率常數(shù)。將該常數(shù)代入式（1），即可建立貯存溫度下老化時間與物理性能之間的關系，進而推算出聚合物材料的貯存壽命。
2.4 熱空氣老化試驗結果
將環(huán)氧樹脂泡沫材料的拉伸試樣分別在 100，110，120，130℃下進行熱空氣加速老化試驗。每隔一段時間取樣，測試其抗拉強度，計算抗拉強度保持率y。以抗拉強度保持率為縱坐標、時間為橫坐標繪制曲線，結果如圖4所示。由圖4可知：在不同溫度下，泡沫材料的抗拉強度均隨老化時間的延長而下降；在老化初期，抗拉強度下降得較為緩慢；達到一定時間后，其下降速率顯著加快。環(huán)氧樹脂泡沫材料的抗拉強度在老化初期的下降速率較慢，這主要是由合成過程中固化反應未完全，在熱空氣老化期間發(fā)生進一步后固化導致的。類似現(xiàn)象在其他環(huán)氧樹脂材料的熱空氣老化過程中也有報道。
對于圖4中各個老化溫度下，不同τ 與y的關系進行數(shù)據(jù)擬合，擬合方程如表 1所示。由表1可知：老化溫度為 100℃（373.15K）時對應擬合方程的R2為0.91。產生這一偏差的主要原因與上文所述一致，即由于環(huán)氧樹脂泡沫材料在合成過程中固化不完全，因此在熱空氣老化過程中發(fā)生了進一步的后固化反應。
2.5 貯存壽命估算
如前所述，根據(jù)圖4中不同老化溫度下的抗拉強度的數(shù)據(jù)，依據(jù)式（1）計算得到該老化溫度下抗拉強度下降10% 和20%（即保持率為90% 和80%）時的老化時間，結果如表2所示。
根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，以ln(τ) 為縱坐標、老化絕對溫度倒數(shù)1/T為橫坐標繪制曲線，結果如圖5所示。基于圖5擬合得到抗拉強度下降10% 和20% 時老化時間τ與老化熱力學溫度T之間的關系，分別如式（3）和式（4）所示，其R2分別為0.95和0.97。
由以上兩式計算得到，在25℃的貯存溫度下，抗拉強度下降10%時的壽命為35.65a，抗拉強度下降20%時的壽命為60.10a。
3 結論
（1）采用兩步化學發(fā)泡法制備得到環(huán)氧樹脂泡沫材料，其泡孔結構均勻、閉孔，孔徑約為100~200μm。
（2）空氣中的氧氣是影響環(huán)氧樹脂泡沫材料熱穩(wěn)定性和貯存壽命的關鍵因素。
（3）熱空氣老化試驗結果表明：在25℃的貯存溫度下，抗拉強度下降10%時對應的壽命為35.65a，抗拉強度下降20% 時對應的壽命為60.10a。
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