偶聯劑在乙烯基酯樹脂/SiC 復合材料中的應用

陽白梅，劉凱，李秋南，趙濤，黃濤

（漢江弘源襄陽碳化硅特種陶瓷有限責任公司，襄陽 441000）

1 引言

石灰石(石灰)-石膏濕法煙氣脫硫是目前世界上應用最廣，最為成熟的脫硫技術之一[1]。而漿液循環泵是火電廠濕法脫硫工藝中脫硫系統的關鍵設備。循環泵作為一種重要的水力機械，廣泛應用在水電、火電、選礦、石油化工、造紙和污水處理等行業[2]。長期以來，葉輪、蝸殼和護套等過流部件受到含固體顆粒流體的磨損、氣蝕或腐蝕造成其表面出現大量的魚鱗坑或蜂窩狀裂紋，引起泵的振動和不穩定運行，導致泵效率下降，能耗增加，甚至報廢。為了延長泵的使用壽命，采用非金屬耐磨耐腐蝕復合材料進行制造或者修復，可以有效降低泵的磨蝕破壞[3～5]。

以乙烯基酯樹脂為粘接劑，添加SiC 陶瓷顆粒而成的復合材料固化后具備優異的耐化學腐蝕耐沖蝕磨損性能，將其作為耐磨涂層材料應用于各類過流部件的表面，其涂覆工藝簡單，成本低廉，無熱影響區及變形。這種復合材料除了可用于過流部件表面耐磨耐腐蝕的預置涂層及易磨損過流部件的表面修復之外，還廣泛用于修補工件上的各種缺陷如裂紋、劃傷、尺寸超差及鑄造缺陷等。對于這種復合材料來說，樹脂與顆粒之間的界面往往是應力集中點和微裂紋發起點，為了進一步提高界面之間的粘接強度，提高材料的整體性能，就需要一種界面交聯劑，稱為偶聯劑。在樹脂膠粘劑中最成熟和最實用的就是有機硅烷偶聯劑，本試驗采用的KH-570就屬此類偶聯劑[6]。

有機硅烷偶聯劑常見的使用方法有以下兩種[7]：（1）表面處理法：將硅烷偶聯劑與95%的乙醇溶液配成稀溶液，使用時加入填料中并在80 ℃下攪拌均勻，洗滌，抽濾，再在120～160℃下烘干30min 然后冷卻至室溫即可獲得改性顆粒。（2）遷移法：將硅烷偶聯劑直接加到樹脂中，混合后依靠分子的擴散作用，偶聯劑分子遷移到粘接界面處產生偶聯作用。

本文著重研究了在乙烯基酯樹脂/SiC 復合材料中加入偶聯劑KH-570 對共混體系粘接強度（包括剪切強度、拉伸強度及彎曲強度）以及耐磨性的影響，以便確定偶聯劑KH-570 在乙烯基酯樹脂/SiC 混合體系中較好的使用方法及最佳加入量。

2 實驗部分

2.1 原材料

SiC 級配砂；聚氨酯改性環氧乙烯基酯樹脂；有機硅油消泡劑；引發劑：低活過氧化甲乙酮；促進劑：6%的環烷酸鈷溶液；偶聯劑：KH-570。

2.2 試樣的制備及測試方法見表1

表1 試樣制備方案

注：1）表面處理法加料順序：樹脂+消泡劑+促進劑+引發劑+偶聯劑改性SiC 級配砂；2）遷移法加料順序：樹脂+消泡劑+偶聯劑+促進劑+引發劑+未改性SiC 級配砂。

為了確定乙烯基酯樹脂與SiC 顆粒間以及乙烯基酯樹脂/SiC 混合料與金屬間的粘接強度，分別測定了乙烯基酯樹脂/SiC 混合料與普通碳鋼之間的剪切強度和拉伸強度以及乙烯基酯樹脂與SiC 顆粒間的彎曲強度。剪切試樣為50mm×20mm×3mm 的片狀試樣，將2 片試樣噴砂刷底涂后進行搭接，中間充填2～5mm 厚的乙烯基酯樹脂/SiC 混合料，混合料固化后進行剪切強度測定。拉伸試樣為φ20mm×50mm 的圓柱試樣，將2 個圓柱試樣端部噴砂刷底涂后進行對接，中間充填2～5mm 厚的乙烯基酯樹脂/SiC 混合料，待混合料固化后進行拉伸強度測定。按照表1 所示組分和編號順序混合好料后，分別制備150mm×25mm×25mm 和100mm×100mm×20mm的試樣，固化后進行彎曲強度和沖蝕磨損性能（耐磨性）測定。

剪切強度、拉伸強度及彎曲強度用試樣均為4 組，其中剪切強度和拉伸強度在萬能試驗機上測定，彎曲強度在工程陶瓷彎曲強度試驗機上測定，并最終取4 組結果的平均值。

沖蝕磨損試驗在實驗室自制的沖蝕磨損實驗機上進行，參數為：磨粒類型：石英砂；粒徑范圍：100～200 目；含砂量：50%；沖蝕角度：45 度；沖蝕速度：18m/s；沖蝕時間為6h/次，共沖蝕5 次，取平均值。沖蝕磨損耐磨性用材料每測試周期（6h）的磨損體積來表示：磨損體積＝試樣的失重量/試樣密度。

3 試驗結果及分析

3.1 KH-570 對粘接強度的影響（見圖1）

圖1 KH-570 的使用對粘結性能的影響

由圖1 可以看出：KH-570 的加入顯著提高了乙烯基酯樹脂與SiC 顆粒間以及乙烯基酯樹脂/SiC 混合料與金屬間的粘接強度，并且隨著KH-570 加入量的增加，粘接強度（剪切、拉伸、彎曲強度）都呈現一種趨勢：先呈線性增大，直至最高值，然后緩慢降低。當KH-570 加入量為1.5%時，剪切強度、拉伸強度與彎曲強度同時達到最高值，分別為42.0MPa，38.0MPa，101.2MPa，與不加偶聯劑時相比，性能分別提高了162.5%，153.3%，110.8%。相比較1～6 號與7～12 號在偶聯劑的使用方法上，遷移法的效果更好一些。綜上所述：10 號試樣（遷移法，KH-570加入量為1.5%）的粘接性能最優。

2.2 KH-570 對耐磨性的影響（見圖2）

圖2 KH-570 的使用對沖蝕磨損性能的影響

從圖2 中可以看出：不論KH-570 以何種方式加入，均可提高復合材料的沖蝕磨損性能，遷移法提高的更為顯著。并且隨著粘結強度的提高，磨損體積逐漸減小，耐磨性就越好。其中10 號試樣（遷移法，KH-570 加入量為1.5%）的沖蝕磨損體積最低，為0.027cm3，與不加KH-570 時相比，耐磨性提高了5.11 倍。

在試樣的沖蝕磨損過程中，樹脂固化物的硬度比石英砂粒低得多，極易磨損。隨著樹脂固化物的不斷磨損，SiC 顆粒的暴露面積不斷增大，在石英砂粒的不斷沖擊下，SiC 顆粒與樹脂的界面結合處將產生反復的變形，最終形成疲勞裂紋。隨著裂紋的進一步擴展，必將引起SiC顆粒與樹脂的結合失效，致使SiC 顆粒從樹脂上脫落形成凹坑，此為磨損的一個循環過程。可見樹脂與SiC 顆粒間的界面結合強度對復合涂層的磨損速度有著決定性的影響。界面結合強度越大，越不易失效，顆粒脫落的可能性大大減小，復合涂層的磨損量就越小。因此提高各相之間界面結合強度是提高復合材料耐磨性的關鍵因素。而偶聯劑則恰恰能很好地使樹脂與填料之間、樹脂/填料與金屬基表面之間牢固地粘合在一起。

4 結論

1) 乙烯基酯樹脂粘接SiC 顆粒復合材料中加入KH-570 后，可顯著提高其粘接強度，隨著KH-570 加入量的增大，粘接強度都呈現一種趨勢：先迅速增大直至最高值，然后緩慢降低。

2) 與表面處理法相比，遷移法效果更好一些，且當加入量為1.5%時，綜合粘接強度最優。

3) 偶聯劑KH-570 加入后，乙烯基酯樹脂粘接SiC顆粒復合材料的沖蝕磨損性能明顯提高。KH-570 加入量為1.5%時耐磨性最好，與不加KH-570 時相比，耐磨性提高了5.11 倍。