玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能測試的研究

(華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司，上海 200237)

玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能測試的研究

曾志海 楊 萌 雷 浩

(華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司，上海 200237)

以實(shí)際試驗(yàn)為基礎(chǔ)，本文通過對乙烯基酯樹脂玻璃鱗片膠泥的多種制樣方式、后固化處理?xiàng)l件的篩選、分析，表明膠泥制樣方式和后固化處理是影響玻璃鱗片膠泥固化度和最終力學(xué)性能指標(biāo)的主要因素，分步涂抹法能更加真實(shí)的體現(xiàn)玻璃鱗片膠泥的各項(xiàng)性能；短時(shí)間的高溫后固化處理，能很好的提高玻璃鱗片膠泥的固化度，并改善最終制品的力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)研究對防腐蝕企業(yè)的玻璃鱗片膠泥襯里的現(xiàn)場施工有實(shí)際指導(dǎo)意義。

玻璃鱗片膠泥 力學(xué)性能測試 制樣方式 后固化

0 引言

玻璃鱗片膠泥是以耐腐蝕樹脂-環(huán)氧乙烯基酯樹脂為主要成膜物，以玻璃鱗片為骨料，加以其他功能性助劑填料的復(fù)合型樹脂膠泥，玻璃鱗片的厚度一般為2～5μm，粒徑為170～300μm，由于涂料中的玻璃鱗片上下交錯(cuò)、平行排列，形成了獨(dú)特的屏蔽結(jié)構(gòu)，起到優(yōu)良的防腐蝕效果。目前，玻璃鱗片膠泥被廣泛應(yīng)用于排煙脫硫裝置內(nèi)襯[1]、海洋工程設(shè)備防腐、化工耐腐蝕襯里[2]等。其主要特點(diǎn)為：(1)耐腐蝕性能好；(2)優(yōu)良的抗介質(zhì)滲透性；(3)較高的粘結(jié)強(qiáng)度；(4)耐溫差(熱沖擊)性能較好；(5)耐磨性較好；(6)固化時(shí)收縮率低，熱膨脹系數(shù)??；(7)良好的施工工藝性，可采用噴涂、滾涂、刷涂和涂抹等工藝，不但施工方便，而且修補(bǔ)容易。

隨著玻璃鱗片膠泥的廣泛應(yīng)用[3]，對其性能的要求也越來越高，不僅要求其耐腐蝕性和抗?jié)B性能滿足實(shí)際工程的需求，也對玻璃鱗片膠泥的力學(xué)性能提出了要求。本文就針對此課題，采用了不同的制樣方式和后處理?xiàng)l件，研究其對玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能的影響，得出了適合玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能測試需求的制樣方式和后處理?xiàng)l件，為其更廣泛的應(yīng)用提供了必要的理論依據(jù)和施工指導(dǎo)。

1 制樣方式對玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能的影響

1.1 制樣方式

本文選用華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司的HCM-2乙烯基酯玻璃鱗片膠泥，引發(fā)劑為過氧化甲乙酮，用量為玻璃鱗片膠泥量的2%。室溫澆鑄成一定厚度的板材，經(jīng)24h室溫固化后脫模。

澆鑄體板材制作的方法主要有兩種：(1)一次成型法；(2)分步涂抹法。

(1) 一次成型法。

一次成型玻璃鱗片膠泥板材，并用真空泵抽真空或機(jī)械振蕩等方法，排出膠泥攪拌時(shí)引入的氣泡。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過抽真空或半小時(shí)的機(jī)械振蕩后，玻璃鱗片膠泥中的氣泡缺陷并沒有明顯的減少。

(2) 分步涂抹法。

參照HG/T 2640-2004《玻璃磷片襯里施工技術(shù)條件》，分步涂抹，單向有序批刮玻璃鱗片膠泥1mm，并用沾有適量稀釋劑(苯乙烯)的羊毛輥用力反復(fù)滾壓，等待玻璃鱗片膠泥初凝后重復(fù)涂抹，直至達(dá)到厚度要求[4]。

1.2 力學(xué)性能測試

制得的玻璃鱗片膠泥板材，按照HG/T3797-2005《玻璃鱗片襯里膠泥》的要求切割、加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行力學(xué)性能測試。

(1) 拉伸性能試樣。

按照HG/T 3797-2005的規(guī)定，拉伸性能測試試樣按照GB/T 1447-2005的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，厚度為4mm，試樣型式如圖1所示。

拉伸性能試樣尺寸詳見表1。

圖1 拉伸性能試樣型式

圖2 彎曲性能試樣型式

表1 拉伸性能試樣尺寸

(2) 彎曲性能試樣。

按照HG/T 3797-2005的規(guī)定，彎曲性能測試試樣按照GB/T 1449-2005的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，厚度為4mm，試樣型式如圖2所示。

彎曲性能試樣尺寸詳見表2。

表2 彎曲性能試樣尺寸

(3)壓縮性能試樣。

按照HG/T 3797-2005的規(guī)定，壓縮性能測試試樣按照GB/T 1448-2005的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試樣型式如圖3所示。

圖3 壓縮性能試樣型式

壓縮性能試樣尺寸詳見表3。

表3 壓縮性能試樣尺寸

(4)沖擊性能試樣。

按照HG/T 3797-2005的規(guī)定，彎曲性能測試試樣按照GB/T 1451-2005的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，厚度為4mm，試樣型式如圖4所示。

圖4 彎曲性能試樣型式

沖擊性能試樣尺寸詳見表4。

表4 彎曲性能試樣尺寸

力學(xué)性能測試結(jié)果詳見表5。

表5 制樣方法對玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能的影響

數(shù)據(jù)表明，采用分步涂抹法制得的玻璃鱗片膠泥澆鑄體，其力學(xué)性能均明顯高于一次成型法的試樣。拉伸強(qiáng)度由20.3MPa提高到25.0MPa，彎曲強(qiáng)度由42.1MPa提高到50.7MPa，沖擊強(qiáng)度則由49.7MPa上升到60.3MPa，上升幅度較明顯。

玻璃鱗片膠泥中含有大量的玻璃鱗片和其他用于增稠的無機(jī)添加物，自身粘度較大，在加入引發(fā)劑攪拌后，體系中的氣泡很難自然排除，尤其是一次成型較厚時(shí)，即使采取一定的機(jī)械輔佐措施促使氣泡的排出，但效果均不是很理想。

由于玻璃鱗片膠泥在固化后內(nèi)部會(huì)存在大量的氣泡和空鼓，在外力作用下，氣泡和空鼓不具備任何強(qiáng)度，會(huì)先于玻璃鱗片膠泥發(fā)生破壞，導(dǎo)致所測力學(xué)性能指標(biāo)不能真實(shí)反映玻璃鱗片膠泥的力學(xué)性能。

采用分次涂抹法后，玻璃鱗片膠泥單次成型較薄(1mm以下)，加之反復(fù)滾壓可以有效地趕出玻璃鱗片膠泥中的氣泡，減少了玻璃鱗片膠泥中的氣泡缺陷，避免了玻璃鱗片膠泥在氣泡部位的先期破壞。同時(shí)，同一方向的涂抹也能使玻璃鱗片在膠泥中趨于平行、有序的排列，此種狀態(tài)下，玻璃鱗片間存在的一定傾角能有效分割樹脂基體連續(xù)相為幾個(gè)小區(qū)，可以使外力作用時(shí)不能相互影響和傳遞。在這兩點(diǎn)的共同作用下，玻璃鱗片膠泥的機(jī)械強(qiáng)度得到了大大的改善，能夠較真實(shí)的反映玻璃鱗片膠泥的力學(xué)性能。

2 后固化條件對玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能的影響

2.1 后固化條件

大量的研究表明[5]，高溫短時(shí)間的后固化處理可大幅提高樹脂體系的固化度，使樹脂的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加均勻和完整，大大提高了樹脂體系的力學(xué)性能。

本文選用華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司的HCM-2乙烯基酯玻璃鱗片膠泥，引發(fā)劑為過氧化甲乙酮，用量為玻璃鱗片膠泥量的2%。采用分步涂抹法室溫澆鑄成符合相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)要求厚度的板材，經(jīng)24h室溫固化后脫模。

分別采取三種不同的后固化處理方法：(1)由室溫升至60℃，保持8h；(2)由室溫升至80℃，保持4h；(3)由室溫升至100℃，保持2h。達(dá)到保溫時(shí)間后，關(guān)閉烘箱電源，自然降溫冷卻至室溫后取出。測試其試樣固化度，結(jié)果詳見表6。

表6 后固化條件對玻璃鱗片膠泥固化度的影響

由表6可以看出，同一種玻璃鱗片膠泥，經(jīng)過高溫短時(shí)間的后固化，固化度由70%上升到95%左右。這是由于沒有后固化處理時(shí)，體系的固化度較低，只有70.36%，體系中還存在大量沒有參與反應(yīng)的不飽和雙鍵與剩余的自由基，若繼續(xù)常溫放置，兩者相遇后，還會(huì)緩慢的產(chǎn)生聚合反應(yīng)。而隨著后固化溫度的升高，不飽和雙鍵和自由基會(huì)在熱的作用下獲得更大的活動(dòng)自由度，加速了兩者相遇和聚合的速度，從而能在短時(shí)間內(nèi)大大提高體系的固化度。

2.2 力學(xué)性能測試

不同固化度的玻璃鱗片膠泥試樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，按照國家標(biāo)準(zhǔn)測試其性能，結(jié)果詳見表7。

表7 固化度對玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能的影響

由表7可以看出，玻璃鱗片膠泥的力學(xué)性能隨著固化度的提高，都得到了明顯的改善，其中經(jīng)80℃下4h后處理的玻璃鱗片膠泥力學(xué)性能最高，此時(shí)的拉伸強(qiáng)度35.3MPa，彎曲強(qiáng)度63.2MPa，壓縮強(qiáng)度80.6MPa，沖擊強(qiáng)度0.61MPa。

這是由于隨著玻璃鱗片膠泥固化度的提高，體系中的剩余不飽和雙鍵和自由基已基本聚合完全，提高了樹脂網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度，形成了均勻、穩(wěn)定的的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可以更好的分散和傳遞應(yīng)力，提高了玻璃鱗片膠泥的力學(xué)強(qiáng)度。

更高溫度的后處理，如100℃下2h，能夠得到更高的固化度，達(dá)到了95.25%，但其力學(xué)性能對比60℃下8h和80℃下4h的試樣，沒有繼續(xù)提高，反而有所下降。分析其原因，玻璃鱗片膠泥作為基體樹脂和玻璃鱗片、無機(jī)填料的混合物，三者的熱膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致體系在受熱膨脹時(shí)，不同步的膨脹反而會(huì)破壞三者之間的粘結(jié)，在界面形成位移或微裂紋。

較之60℃和80℃的后固化溫度，100℃的后固化處理過程中，基體樹脂和玻璃鱗片、無機(jī)填料之間的熱膨脹系數(shù)差別被放大，體系中產(chǎn)生更多的位移和微裂紋，這樣反而影響了最終的力學(xué)性能。

所以，后固化處理溫度要選擇適當(dāng)，并不是越高越好，一般來講，要略低于其基體樹脂的熱變形溫度為宜。同時(shí)后固化處理時(shí)間也不宜過長，否則體系中不太牢固的化學(xué)鍵就有可能斷裂，反而導(dǎo)致力學(xué)性能的下降。

根據(jù)以上測試和分析，后固化處理?xiàng)l件為80℃下4h，并爐冷至室溫，玻璃鱗片膠泥的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。

3 結(jié)論

(1) 對比一次成型法和分步涂抹法，分步涂抹法能很好的消除玻璃鱗片膠泥中的氣泡，減少固化成型后體系中的缺陷，能更加真實(shí)的體現(xiàn)玻璃鱗片膠泥的各項(xiàng)性能，這對指導(dǎo)鱗片膠泥的現(xiàn)場施工也有指導(dǎo)意義，針對設(shè)計(jì)4mm厚左右的玻璃鱗片膠泥襯里，膠泥須分多次涂抹才能達(dá)到設(shè)計(jì)目的，有較高的力學(xué)性能和更加致密的防腐蝕結(jié)構(gòu)，避免防腐蝕膠泥施工的失敗。

(2) 短時(shí)間的高溫后固化處理，能很好的提高玻璃鱗片膠泥的固化度。60℃下8h、80℃下4h和100℃下2h這三種后固化處理?xiàng)l件，都能將玻璃鱗片膠泥體系的固化度從70.36%提高至95%左右，固化度的提高能顯著提高玻璃鱗片膠泥的各項(xiàng)力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度最大可達(dá)35.3MPa，比未進(jìn)行后處理試樣提高41.2%，彎曲強(qiáng)度最大可達(dá)63.2MPa，提高24.7%，壓縮強(qiáng)度最大可達(dá)80.6MPa，提高33.7%，沖擊強(qiáng)度最大可達(dá)0.61MPa，提高277%。因此，建議現(xiàn)場施工完成玻璃鱗片膠泥襯里，投入使用前期先用高溫?zé)煹罋鈱δz泥襯里設(shè)備和管道做80℃下4小時(shí)的后固化熱處理，可以大大提高鱗片膠泥的固化度和各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，達(dá)到更好的耐腐蝕功能。

(3) 玻璃鱗片膠泥的性能指標(biāo)測試與試樣的制作方法有密切的關(guān)系，我們結(jié)合各種乙烯基酯樹脂玻璃鱗片膠泥產(chǎn)品按照不同的試樣制作方法及測試數(shù)據(jù)，總結(jié)編寫了《乙烯基酯樹脂玻璃鱗片膠泥使用指南及技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)方法》供防腐蝕行業(yè)內(nèi)的相關(guān)單位參考，需要了解詳細(xì)資料的可向我公司索取。

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Study on the Test of Glass Flake Clay’s Mechanical Properties

ZENG Zhi-hai, YANG Meng, LEI Hao
(Sino Polymer Co., Ltd., Shanghai 200237, China)

Based on actual tests, this paper analyses the various sample preparation and post cured methods of the vinyl ester resin glass flake(VEGF), show that the sample preparation and post cured method are the main factors affecting the curing degree and mechanical performance of VEGF. Though the step-by-step coating method, the properties of VEGF will be more truly reflected. Though a short time post cured under high temperature, the curing degree and the properties of VEGF is well improved. For the anti-corrosion company, this experimental study has practical significance for construction of VEGF.

glass flake clay; mechanical performance test; sample preparation; post cured method

TG174

A

曾志海 (1981－) ，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，主要從事乙烯基酯樹脂和不飽和樹脂的應(yīng)用研究。