玻璃纖維氈/水性環氧樹脂復合材料的制備及其基本性能研究

王彩琴，王前進，王小毛

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000； 2.吉林石化公司 染料廠，吉林 吉林 132001)

玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料，其不僅具有耐高溫、密度小、絕緣好、吸濕低及延伸小等一系列優異特性，還可以對其采用有機裹附處理技術進行制品改性加工，在煙氣脫硫脫硝設備中常被用作附著催化劑的骨架使用。水性環氧樹脂以水為分散介質，環氧樹脂與固化劑成膜，具備優異的附著力、耐水性及耐腐蝕性能，具有固化成膜時揮發份零VOC(揮發性有機物)等優勢。用水性環氧樹脂與玻璃纖維氈形成復合材料，可通過涂層乳液的置換或者改性等措施，改善玻璃纖維氈織物的熱穩定性和力學強度。對此，本試驗嘗試以玻璃纖維織物為基體，結合水性環氧樹脂，構建一種新型的復合材料，從而提高玻璃纖維氈的性能，為SCR脫硝系統中催化劑脫硝提供一種新的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

主要原料

玻璃纖維織物：市售， 光威復合材料；固化劑(分析純)， 衛瀾環保科技；環氧樹脂(化學純)，興豐防腐材料。其中玻璃纖維氈材料的基本特性、參數，具體如表1所示；基底材料基本特性如表2所示。

表1 2種水性環氧樹脂特性參數Tab.1 Characteristic parameters of two water-based epoxy resins

表2 玻璃纖維氈材料基本特性一覽表Tab.2 List of basic properties of glass fiber felt materials

主要設備

XJJ-5型沖擊試驗測試儀(偉創設備)；WDW-100M型萬能試驗機(中路昌試驗機)；DZF6050型真空干燥箱(寧懷儀器)；Q600同步熱分析儀(美國TA公司);VEGA-3-SBH型掃描電鏡(捷克TESCAN公司);Octane Prime型能譜儀(EDAX公司)。

1.2 試樣制備

水性環氧樹脂與水的質量比分別為1∶1、1∶1.4，并設置4組不同的實驗組，具體如表3所示。

表3 玻璃纖維氈材料基本特性一覽表Tab.3 List of basic properties of glass fiber felt materials

將水性環氧樹脂和固化劑按適當的比例混合，即用2種不同質量比的去離子水稀釋后保持勻速攪拌20 min至物料由透明逐漸變成乳白色；之后，將得到的水性環氧樹脂乳液轉移至指定尺寸：10 cm×10 cm×2 cm的容器中，并將已經剪裁好的5 cm×15 cm的玻璃纖維氈放入水性環氧樹脂乳液中進行涂層，然后置于常溫環境中懸掛。

待玻璃纖維氈表面水性環氧樹脂固化后，按照試樣種類進行編號并裝入密封袋中；然后，采用差示掃描熱量儀(TGA)、掃描電子顯微鏡(SEM)和萬能材料試驗機等對制備的復合材料進行耐熱性能、表面形貌和力學性能表征測定。

1.3 性能測試

熱穩定性(TGA)

將樣品以10 ℃/min的速率從室溫加熱到120 ℃，之后在溫度120 ℃條件下保持20 min；然后以10 ℃/min的速率加熱到600 ℃。最后測定不同種類的環氧樹脂，在不同附著試劑的條件下隨著溫度的升高，其樣品質量的變化情況。

掃描電鏡(SEM)

將樣品置于載物臺上進行測試，掃描電鏡的加速電壓為10 kV，分別在50、500、1 000放大倍數下對微觀形貌和化學結構進行觀察。

力學性能測試

試樣尺寸為100 mm×100 mm，細心拆邊；起始有效長度為80 mm，拆邊試樣寬度為85 mm。拉伸速度100 mm/min，預張力為預計強力的(1±0.25)%。

粘合力測試

通過水熱法對樣品結合力進行測試。將樣品一次置于100 ℃的熱水和0 ℃的冰水中浸泡，浸泡時間分別為30 min和10 min；浸泡結束后，取出樣品稱重。

式中：、分別為測試前、后樣品質量，mg。

2 結果與討論

2.1 不同質量比下的SEM形貌

2種質量比條件下的復合材料及空白玻璃纖維氈的SEM形貌如圖1所示。

圖1 不同質量比條件下復合材料的SEM形貌圖Fig. 1 SEM morphology of the composites with different weight ratios

由圖1可知，空白的玻璃纖維氈原貌表面形貌清晰，玻璃纖維呈網狀交織，在500倍、1 000倍放大觀察，玻璃纖維呈無規則層狀疊加，通透性好、空隙大。當水性環氧樹脂和水的質量比為1∶1時，50倍下電鏡觀察復合材料表面全部被水性環氧樹脂覆蓋，無法看到表面形貌；放大至500倍、1 000倍后觀察，玻璃纖維氈被水性環氧密實覆蓋，無法觀察到玻璃纖維氈內部結構情況。反之，當水性環氧樹脂質量比為1∶1.4時，原有玻璃纖維氈表面保持原有的織網形貌和基本結構，水性環氧樹脂主要匯集附著在玻璃纖維交叉部位，放大至500倍及以上倍數觀察發現，水性環氧樹脂乳液基本均勻裹附在玻璃纖維上，能看到2～3層玻璃纖維層，有明顯的空隙。

同時，水性環氧樹脂與固化劑的交聯作用明顯，整個玻璃纖維氈各層能夠保證充分的孔隙，獲得較大的表面積，復合材料整體結構穩定性較好。而隨著水性環氧樹脂質量占比的增大，環氧樹脂乳液覆蓋玻璃纖維氈表面密實，相同條件下能夠承受較大的斷裂強力，這也導致玻璃纖維氈無法發揮基材附著體的作用，且造成環氧樹脂材料的浪費，經濟性差。

2.2 熱穩定性分析

從復合材料的表面形貌上看，當水性環氧樹脂與水的質量比為1∶1.4時，復合后的玻璃纖維氈能夠保持原有的交織結構，且固化后的水性環氧樹脂能夠均勻涂敷在玻璃纖維上。為了進一步探索不同種類水性環氧樹脂與固化劑在玻璃纖維氈表面及內部空間的交聯情況，以及對玻璃纖維氈的熱穩定性、機械強度等的影響，本文對2種常用水性環氧樹脂和配套使用的固化劑，在與水的質量配比為1∶1.4的情況下進行樣品制備，并分別進行熱穩定性、機械強度的測試，利用掃描電鏡對其形貌進行對比觀察，選擇一種從熱穩定性、孔隙率和強度相對較好的水性環氧樹脂，為后續研究復合材料附著催化劑研究提供理論依據。通過實驗得到如圖2所示的結果。

圖2 2種常用水性環氧樹脂乳液在1∶1.4質量比條件下熱重曲線Fig.2 Thermogravimetric curves of two commonly used waterborne epoxy resin emulsions at 1∶1.4 weight ratio

不同種類水性環氧樹脂復合材料的熱穩定性不同，主要表現為失重溫度和一定溫度區間內的質量降低率均不同。由圖2可知，1-E、2-E的失重溫度為270 ℃。從材料質量降低率角度分析，1-E在整個熱穩定性測試中出現3次質量降低率峰值；只有2-E有2次質量降低率峰值，且2-E在300 ℃之后熱重曲線居于其他3種之上，質量降低速率相對趨于緩慢，就復合材料的殘余質量來講，2-E的殘余質量最大。整體上分析，JH-5560型水性環氧樹脂(2號)復合材料在升溫程序中質量降低區域緩慢，在一定的溫度區間內熱穩定性表現良好。這與水性環氧樹脂與固化劑在玻璃纖維氈表面和內部的交聯作用有關。

2.3 復合材料的粘接力測試

通過水熱循環法對制備的玻璃纖維織物的結合度進行研究，結果如表4所示。

表4 水熱循環結果Tab.4 Results of hydrothermal cycle

由表4可知，經過水熱循環處理后，樣品質量變化率為0.26%。這個變化說明制備的玻璃纖維織物，鍍層與基體間緊密結合，復合材料具備較強的整體性。

2.4 復合材料力學性能

為進一步驗證GFF/EP的力學性能，具體結果如圖3所示。

(a)沖擊性能

由圖3(a)可知，復合材料的沖擊性能約為11.54 kJ/m；由圖3(b)可知，復合材料的彎曲強度約為226 MPa。

3 結語

選用2種不同的水性環氧樹脂，制備出了零VOC、玻璃纖維氈/水性環氧樹脂復合材料，通過熱穩定性、力學性能和微觀形貌分析，篩選出能滿足一般工業用的SCR脫硝催化劑骨架的材料。

(1)水性環氧樹脂固化后對玻璃纖維氈復合材料，提高了玻璃纖維氈原有的熱穩定性、力學性能，為研究水性環氧樹脂復合玻璃纖維氈材料提供科學依據；

(2)通過對選擇的2種水性環氧樹脂進行熱穩定性、掃描電鏡和力學性能測定進行綜合分析得到，JH-5560水性環氧樹脂在環氧樹脂與水的質量比為1∶1.4時，配置的乳液固化交聯效果好，形成的玻璃纖維復合材料熱穩定性、力學性能好，且材料整體的結構均勻穩定，綜合性能最佳。