水性環(huán)氧樹脂在碳纖維保溫材料中的應(yīng)用

許宏

（中國石化巴陵分公司樹脂部，湖南岳陽 414014）

隨著光伏太陽能行業(yè)的高速發(fā)展，其關(guān)鍵設(shè)備高溫爐、真空爐的市場需求越來越大，而這些高溫爐、真空爐又與保溫材料有著直接或間接的關(guān)系。高溫真空爐的爐內(nèi)溫度一般都在1 350℃以上，這就要求其保溫材料除了具有良好的保溫效果外，還必須能耐高溫，而普通的保溫材料都無法承受如此高的溫度。碳纖維保溫材料具有耐熱溫度高、隔熱性好、質(zhì)量輕、質(zhì)地柔軟、裁剪容易等特點，可以在1 000~3 500℃真空或惰性氣體保護下應(yīng)用，是高溫隔熱保溫的首選材料。

目前，碳纖維保溫材料廠家大多采用水溶性酚醛樹脂做浸潤劑。水溶性酚醛樹脂與水性環(huán)氧樹脂一樣，符合當今經(jīng)濟、環(huán)保的發(fā)展要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。同時，在苯酚和甲醛的合成反應(yīng)中，氨水作為最常用的一種較弱的無機堿性催化劑具有催化作用外，本身還參與樹脂的合成反應(yīng)，形成的含氮化合物極性較弱、難溶于水，易造成樹脂的乳化分層，使樹脂的水溶性變差。甲醛在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的刺激性氣味和毒性造成操作層員工身體的多種危害，不容忽視。另外，不少廠家大多使用工業(yè)酒精作為溶劑來溶解樹脂，在樹脂的干燥固化過程中會產(chǎn)生污染環(huán)境的揮發(fā)物[1]，存在與空氣混合形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的安全危險。水性環(huán)氧樹脂是指環(huán)氧樹脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續(xù)相的分散介質(zhì)中而獲得的穩(wěn)定分散體系，具有綠色環(huán)保、無氣味，導(dǎo)熱系數(shù)小[2]，熱應(yīng)力好，無需固化劑，安全性高和操作性能佳等優(yōu)點，可用作碳纖維保溫材料浸潤劑，適于制備太陽能單晶硅拉伸爐、多晶硅鑄錠爐等。筆者以CYDW-112W50水性環(huán)氧樹脂、浸潤劑、質(zhì)量分數(shù)為50%的水（相對于混合乳液）配成混合乳液，將碳氈浸潤在其中，經(jīng)固化、炭化、石墨化等過程制備了高溫隔熱水性環(huán)氧樹脂/碳氈保溫材料，保溫效果較好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實驗

1.1 原料與設(shè)備

原料：巴陵石化公司產(chǎn)CYDW-102W50水性環(huán)氧樹脂、CYDW-112W50水性環(huán)氧樹脂；市售水性環(huán)氧樹脂樣品A；碳氈。

設(shè)備：EDX-LE型X熒光光譜儀、5100 ICP-OES金屬雜質(zhì)測試儀、VVC-0608型立式真空碳化爐、DRS-III型高溫導(dǎo)熱系數(shù)測試儀。

1.2 水性環(huán)氧樹脂/碳氈保溫材料的制備

1）浸漬固化處理

首先將碳氈浸入CYDW-102W50水性環(huán)氧樹脂或CYDW-112W50水性環(huán)氧樹脂、浸潤劑加水配成的混合乳液，水的添加量為混合乳液質(zhì)量分數(shù)的30%，50%，70%；然后在一定溫度下烘干固化，最終得到具有一定剛度的硬質(zhì)碳氈試樣。

2）碳化石墨化處理

硬質(zhì)碳氈試樣內(nèi)部殘留大量的環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂在高溫下會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，并伴隨大量氣體的放出和熱量的交換。因此，浸漬固化后的硬質(zhì)碳氈還必須經(jīng)過高溫碳化和石墨化處理，使碳氈中的樹脂大量轉(zhuǎn)化為熱解碳的同時，除去大量揮發(fā)性雜質(zhì)，提高保溫材料碳含量。

將硬質(zhì)碳氈試樣放入真空碳化爐，從室溫分步升溫至1 800℃，保溫一段時間后，使硬質(zhì)碳氈中吸入的環(huán)氧樹脂碳熱解生成熱解碳，然后冷卻至室溫，即制備得到水性環(huán)氧樹脂/碳氈保溫材料。

1.3 測試及表征

金屬雜質(zhì)含量：將水性環(huán)氧樹脂試樣在控溫電爐上加熱，使揮發(fā)物揮發(fā)直至分解碳化；碳化殘余物移入650℃馬弗爐中，2 h后取出試樣，倒入5 mL濃硝酸，在控溫電爐上硝解，硝解完成后再過濾定容。定容后的試樣在等離子發(fā)射光譜儀上測試金屬雜質(zhì)含量。

導(dǎo)熱系數(shù)：按一定的升溫速率升至實驗溫度，達到穩(wěn)態(tài)后，測量碳纖維保溫材料試樣的冷、熱面溫度，中心量熱器的水流量（ω）等參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)（λ）按式（1）計算：

式中：k為常數(shù)；Δmv為中心量熱器水溫升高電動勢差；δ為試樣厚度；t1為試樣熱面溫度；t2為試樣冷面溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂中金屬雜質(zhì)含量對保溫材料性能的影響

環(huán)氧樹脂中金屬雜質(zhì)的含量對保溫材料的性能影響較大，若環(huán)氧樹脂中金屬雜質(zhì)含量高，則保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)大，熱傳導(dǎo)速率快，保溫效果差；反之則導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫效果好。

從表1可以看出，CYDW-112W50、CYDW-102W50兩種水性環(huán)氧樹脂中鋁（Al）、鈣（Ca）、銅（Cu）、鐵（Fe）、鈉（Na）等金屬雜質(zhì)含量均較低，滿足保溫材料行業(yè)質(zhì)量指標要求。與CYDW-102W50水性環(huán)氧樹脂相比，CYDW-112W50水性環(huán)氧樹脂的環(huán)氧當量高，黏度大，粘結(jié)力更強，且金屬雜質(zhì)含量更低，滿足保溫材料在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。除了可以使用單一的水性環(huán)氧樹脂體系浸潤碳氈制備保溫材料外，根據(jù)用戶黏度需求，也可采用兩種水性環(huán)氧樹脂調(diào)配為混合乳液浸潤碳氈制備保溫材料，從而增大其黏度范圍，提高粘結(jié)力強度。

表1 兩種牌號水性環(huán)氧樹脂乳液指標對比

2.2 乳液濃度對保溫材料性能的影響

碳氈浸漬固化烘干后，樹脂會固化并殘留于碳氈中，從而使碳氈具有一定的剛度和硬度，形成硬質(zhì)碳氈。

從表2可以看出，隨著水性環(huán)氧樹脂混合乳液加水量增加，固化后的硬質(zhì)碳氈試樣質(zhì)量增加值減小，即浸潤后的殘留物減少。這主要是因為碳氈具有較高的孔隙率，乳液濃度越高，氈體吸收的樹脂也越多。從成本上考慮，加水量越多，成本越低，且水量越多越能增加樹脂乳液對碳氈的浸潤性，但試樣碳化后物料殘留量降低會影響保溫材料的均勻性、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等。因此，浸氈乳液中水的質(zhì)量分數(shù)為50%較適宜。

表2 乳液濃度對碳氈性能的影響

2.3 浸潤劑對保溫材料性能的影響

以水性環(huán)氧為主體樹脂的浸潤劑滲透入碳纖維氈制備保溫材料時，首先要使水性環(huán)氧樹脂完全、充分地鋪展到碳氈表面，也就是說二者之間要有充分的浸潤。作為中間結(jié)構(gòu)層的浸潤劑[3-4]，其作用是很好地連結(jié)無機物（碳氈）和有機物（水性環(huán)氧樹脂）兩相的界面，并傳遞應(yīng)力，與基體樹脂產(chǎn)生良好的粘結(jié)力。

水性環(huán)氧樹脂分子中的極性羥基和醚鍵對碳纖維表面有很強的粘附性，對碳纖維有良好的保護功能和集束性。水性環(huán)氧樹脂作為浸潤劑中的粘結(jié)成膜劑，與其他組分配合，有利于浸潤劑中各組分在碳纖維表面產(chǎn)生吸附和反應(yīng)，介于碳纖維表面與基體樹脂表面之間，起著中間粘結(jié)層和傳遞應(yīng)力的作用，形成新的固－氣界面，從而改變原有碳纖維的界面特性。

2.4 水性環(huán)氧樹脂對保溫材料性能的影響

從表3不同環(huán)氧樹脂制備的碳氈性能可以看出，水性環(huán)氧樹脂CYDW-112W50混合乳液浸潤后的碳氈固化后的密度為0.212 g/cm3；碳化后的密度為0.188 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.113 W/（m·K），性能優(yōu)于市售水性環(huán)氧樹脂A，符合生產(chǎn)太陽能硅晶體生長爐熱場要求。

表3 不同水性環(huán)氧樹脂乳液浸潤后的碳氈性能

2.5 應(yīng)用實例

采用CYDW-112W50水性環(huán)氧樹脂混合乳液浸潤制備的碳氈見圖1。采用碳氈為主要基材制成的光伏產(chǎn)業(yè)碳纖維保溫材料產(chǎn)品見圖2、3。

圖1 碳氈

圖2 硬質(zhì)碳氈保溫筒

圖3 固化碳氈保溫筒

硬質(zhì)碳氈保溫筒和固化碳氈保溫筒能有效降低單晶爐熱場中的熱損失，起到隔熱保溫的作用。同時，保溫筒的多層疊加設(shè)計，更有利于溫度梯度的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1）以CYDW-112W50水性環(huán)氧樹脂、浸潤劑、質(zhì)量分數(shù)為50%的水（相對于混合乳液）配成混合乳液，將碳氈浸潤在混合乳液中，經(jīng)固化、炭化、石墨化等過程制備的高溫隔熱材料性能優(yōu)異，應(yīng)用前景十分廣闊。

2）水性環(huán)氧樹脂中金屬雜質(zhì)的含量對水性環(huán)氧樹脂/碳氈保溫材料的性能影響較大，若環(huán)氧樹脂中金屬雜質(zhì)含量高，則保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)大，熱傳導(dǎo)速率快，保溫效果差。

3）水性環(huán)氧樹脂CYDW-112W50混合乳液浸潤后的碳氈固化后的密度為0.212 g/cm3；碳化后的密度為0.188 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.113 W/（m·K），符合生產(chǎn)太陽能硅晶體生長爐熱場要求。