樹脂/SiC 復合陶瓷泵生產中延遲劑的應用

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，湖北 襄陽 441000）

1 概述

乙烯基酯樹脂是20 世紀60 年代開始應用的新型樹脂，主要由環氧樹脂與不飽和的一元羧酸（多為丙烯酸）聚合而成，也稱為環氧丙烯酸樹脂。其工藝性能與不飽和聚酯相似，化學結構和環氧樹脂相近，因而具有優異的耐化學品和耐溶劑性，結合了聚酯和環氧樹脂的長處，是一種優良的耐腐蝕樹脂[1]。

碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，是用石英砂、石油焦或煤焦、木屑等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。它是由元素周期表中Ⅳ-Ⅳ主族元素構成的二元化合物，碳化硅晶體和金剛石一樣，是原子晶體，空間網狀結構，1 個C 與4 個Si 形成正四面體結構，一個晶胞內有4個碳原子和4 個Si 原子，Si-C 間通過強的sp3 鍵結合。獨特的結構賦予了碳化硅材料眾多的優異性能。其硬度很高，莫氏硬度為9.5 級，僅次于世界上最硬的金剛石（10 級），具有強度高、耐磨性好、耐化學腐蝕性強、抗氧化性優良、熱導率高、高溫穩定性好、熱膨脹系數低等優點，從而被廣泛應用于高性能復合材料的制備。

將固定級配的碳化硅顆粒混合均勻，加入一定比例的乙烯基酯樹脂，通過常溫自固化和高溫后固化后，形成一種新型的乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷材料，力學強度高，沖擊韌性好，耐磨性好、耐化學腐蝕性強，對金屬和非金屬材料的表面具有優異的黏結強度，常溫抗折強度高達100 MPa 以上，適用于各種受介質沖刷磨蝕、腐蝕工件（如渣漿泵泵體、葉輪、護板、短管等）的修復，具有良好的可塑性，可作成各種形狀的工件或設備，是耐腐、耐磨合金材料良好的替代品[2-5]。

乙烯基酯樹脂在使用過程中常存在以下問題：凝膠固化時間受環境溫度影響較大，夏季環境溫度較高（≥30 ℃）時，樹脂凝膠時間一般不超過20 min，可操作時間嚴重不足，產品收縮較大，熱應力集中，易產生裂紋。因此，希望在乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷過流部件的成型過程中最好具有以下5 個特點：

1）乙烯基酯樹脂有較長的凝膠時間，以便于常溫施工，一般要求凝膠時間在3 h 左右；

2）乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷材料澆注入模具型腔后有較快的固化速度，以提高生產效率，一般要求凝膠至固化的時間不長于1 h；

3）凝膠固化時放熱緩慢，放熱峰溫度盡可能低，以減少產品內部的熱應力；

4）乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷材料的黏度盡可能低，流動性盡可能好，以便于快速脫除混合料中裹挾的氣泡以及便于操作；

5）固化時的收縮盡可能小，以防止產品發生形變或關鍵尺寸發生變化等。

因此，根據實際生產情況（如夏天環境溫度過高），尋找合適的固化助劑對乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷材料用的膠液配方進行調整和優化，是目前一直在進行的工作。本文系統研究了一種助劑乙酰丙酮對乙烯基酯樹脂/SiC 復合材料固化性能的影響。

2 實驗部分

2.1 原材料

填料，SiC 級配砂；樹脂：標準雙酚A 型環氧乙烯基酯樹脂；促進劑：6%的環烷酸鈷溶液；固化劑：低活過氧化甲乙酮；延遲劑：乙酰丙酮；有機硅油消泡劑：偶聯劑。

2.2 實驗儀器

超級恒溫槽，CS501-SP；鉑熱電阻溫度自動記錄儀，MIK-R200T。

2.3 試樣的制備及實驗方法

2.3.1 凝膠固化時間的測定

按照下頁表1 所示組分和編號順序進行混料，加料步驟為：取100 g 乙烯基酯樹脂于250 mL 一次性塑料杯中，控制恒溫槽內的水溫恒定為35 ℃（模擬夏季環境溫度較高時的場景），加入消泡劑0.5 g，偶聯劑3 g，促進劑質量分數為6%的環烷酸鈷溶液0.1 g，延遲劑乙酰丙酮0.02～0.14 g，固化劑低活過氧化甲乙酮2 g，觀察記錄樹脂的凝膠時間和固化時間。

表1 試樣制備方案

2.3.2 放熱峰溫度的測定

實驗條件同上，樹脂固化放熱峰溫度的測定在鉑熱電阻溫度自動記錄儀上進行。

2.3.3 彎曲強度的測定

為了確定延遲劑乙酰丙酮的加入量對乙烯基酯樹脂與SiC 顆粒間以及乙烯基酯樹脂/SiC 混合料與金屬間粘接強度的影響，測定了乙烯基酯樹脂與SiC復合陶瓷材料制品的彎曲強度。按照表1 所示組分和編號順序混合好料后，加入SiC 級配砂，在模具型腔中振動成型150 mm×25 mm×25 mm 的試樣，固化脫模后進行彎曲強度的測定。

彎曲強度用試樣為4 組，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。

3 實驗結果及分析

3.1 乙酰丙酮加入量對凝膠固化時間的影響（見圖1）

圖1 乙酰丙酮加入量對凝膠固化時間的影響

由圖1 可以看出，在一定的范圍內，隨著乙酰丙酮用量的增加，乙烯基酯樹脂的凝膠時間和固化時間明顯延長、凝膠至固化的時間明顯縮短。當延遲劑乙酰丙酮的加入量為0.1%時，凝膠時間為180 min，固化時間為195 min，凝膠至固化時間（15 min）最短，固化速度最快，滿足工藝要求；當延遲劑乙酰丙酮的加入量超過0.1%時，凝膠時間稍有延長，但固化時間明顯延長，凝膠至固化時間變長；當延遲劑乙酰丙酮的加入量為0.14%時，凝膠時間為200 min，固化時間為280 min，凝膠至固化時間（80 min）明顯延長，固化速度減慢，不利于生產工藝，導致生產周期延長，生產效率降低。

3.2 乙酰丙酮加入量對放熱峰溫度的影響（見圖2）

圖2 乙酰丙酮加入量對放熱峰溫度的影響

由圖2 可以看出，隨著乙酰丙酮用量的增加，乙烯基酯樹脂的放熱峰溫度明顯降低。當延遲劑乙酰丙酮的加入量為0.1%時，放熱峰溫度為110℃，再增加乙酰丙酮的加入量，放熱峰溫度雖有降低，但降低緩慢。

3.3 乙酰丙酮加入量對彎曲強度的影響（見圖3）

圖3 乙酰丙酮加入量對彎曲強度的影響

由圖3 可以看出，當乙酰丙酮的加入量≤0.1%時，對乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷材料的彎曲強度基本沒有影響，但當乙酰丙酮的加入量超過0.1%時，彎曲強度明顯下降。

4 結論

1）乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷材料中加入延遲劑乙酰丙酮后，凝膠時間和固化時間明顯延長，凝膠至固化時間明顯縮短，固化速度明顯提高，生產中的可操作時間明顯變長，生產工藝更加穩定；

2）乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷材料中加入延遲劑乙酰丙酮后，放熱峰溫度明顯降低，產品熱應力得以釋放，大大降低了產品產生裂紋的可能性，極大提高了生產效率和產品質量，降低了由于樹脂不穩定造成的產品報廢，提高了經濟效益；

3）乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷材料中加入延遲劑乙酰丙酮后，對產品的彎曲強度幾乎沒有影響；

4）在夏季環境溫度較高（35 ℃以上）進行乙烯基酯樹脂/SiC 復合陶瓷部件的生產時，室溫固化條件下延遲劑乙酰丙酮的最佳加入量為0.1%。若環境溫度更高，可通過降低原料溫度來控制凝膠和固化時間，從而更好地滿足工藝要求。