玻璃纖維氈/水性環(huán)氧樹脂復(fù)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(yè)技術(shù)學(xué)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(yōu)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(yōu)異特性，還可以對其采用有機裹附處理技術(shù)進行制品改性加工，在煙氣脫硫脫硝設(shè)備中常被用作附著催化劑的骨架使用。水性環(huán)氧樹脂以水為分散介質(zhì)，環(huán)氧樹脂與固化劑成膜，具備優(yōu)異的附著力、耐水性及耐腐蝕性能，具有固化成膜時揮發(fā)份零VOC(揮發(fā)性有機物)等優(yōu)勢。用水性環(huán)氧樹脂與玻璃纖維氈形成復(fù)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(wěn)定性和力學(xué)強度。對此，本試驗嘗試以玻璃纖維織物為基體，結(jié)合水性環(huán)氧樹脂，構(gòu)建一種新型的復(fù)合材料，從而提高玻璃纖維氈的性能，為SCR脫硝系統(tǒng)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(fù)合材料；固化劑(分析純)， 衛(wèi)瀾環(huán)?？萍迹画h(huán)氧樹脂(化學(xué)純)，興豐防腐材料。其中玻璃纖維氈材料的基本特性、參數(shù)，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(huán)氧樹脂特性參數(shù)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(shè)備

XJJ-5型沖擊試驗測試儀(偉創(chuàng)設(shè)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(huán)氧樹脂與水的質(zhì)量比分別為1∶1、1∶1.4，并設(shè)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(huán)氧樹脂和固化劑按適當(dāng)?shù)谋壤旌?，即?種不同質(zhì)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(huán)氧樹脂乳液轉(zhuǎn)移至指定尺寸：10 cm×10 cm×2 cm的容器中，并將已經(jīng)剪裁好的5 cm×15 cm的玻璃纖維氈放入水性環(huán)氧樹脂乳液中進行涂層，然后置于常溫環(huán)境中懸掛。

待玻璃纖維氈表面水性環(huán)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(fù)合材料進行耐熱性能、表面形貌和力學(xué)性能表征測定。

1.3 性能測試

熱穩(wěn)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(huán)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(zhì)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(shù)下對微觀形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)進行觀察。

力學(xué)性能測試

試樣尺寸為100 mm×100 mm，細(xì)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(yù)張力為預(yù)計強力的(1±0.25)%。

粘合力測試

通過水熱法對樣品結(jié)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(jié)束后，取出樣品稱重。

式中：、分別為測試前、后樣品質(zhì)量，mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同質(zhì)量比下的SEM形貌

2種質(zhì)量比條件下的復(fù)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(zhì)量比條件下復(fù)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(wǎng)狀交織，在500倍、1 000倍放大觀察，玻璃纖維呈無規(guī)則層狀疊加，通透性好、空隙大。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂和水的質(zhì)量比為1∶1時，50倍下電鏡觀察復(fù)合材料表面全部被水性環(huán)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(huán)氧密實覆蓋，無法觀察到玻璃纖維氈內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。反之，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為1∶1.4時，原有玻璃纖維氈表面保持原有的織網(wǎng)形貌和基本結(jié)構(gòu)，水性環(huán)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(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)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(huán)氧樹脂與固化劑的交聯(lián)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(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。而隨著水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量占比的增大，環(huán)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(dǎo)致玻璃纖維氈無法發(fā)揮基材附著體的作用，且造成環(huán)氧樹脂材料的浪費，經(jīng)濟性差。

2.2 熱穩(wěn)定性分析

從復(fù)合材料的表面形貌上看，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂與水的質(zhì)量比為1∶1.4時，復(fù)合后的玻璃纖維氈能夠保持原有的交織結(jié)構(gòu)，且固化后的水性環(huán)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(huán)氧樹脂與固化劑在玻璃纖維氈表面及內(nèi)部空間的交聯(lián)情況，以及對玻璃纖維氈的熱穩(wěn)定性、機械強度等的影響，本文對2種常用水性環(huán)氧樹脂和配套使用的固化劑，在與水的質(zhì)量配比為1∶1.4的情況下進行樣品制備，并分別進行熱穩(wěn)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(wěn)定性、孔隙率和強度相對較好的水性環(huán)氧樹脂，為后續(xù)研究復(fù)合材料附著催化劑研究提供理論依據(jù)。通過實驗得到如圖2所示的結(jié)果。

圖2 2種常用水性環(huán)氧樹脂乳液在1∶1.4質(zhì)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(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性不同，主要表現(xiàn)為失重溫度和一定溫度區(qū)間內(nèi)的質(zhì)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(zhì)量降低率角度分析，1-E在整個熱穩(wěn)定性測試中出現(xiàn)3次質(zhì)量降低率峰值；只有2-E有2次質(zhì)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(zhì)量降低速率相對趨于緩慢，就復(fù)合材料的殘余質(zhì)量來講，2-E的殘余質(zhì)量最大。整體上分析，JH-5560型水性環(huán)氧樹脂(2號)復(fù)合材料在升溫程序中質(zhì)量降低區(qū)域緩慢，在一定的溫度區(qū)間內(nèi)熱穩(wěn)定性表現(xiàn)良好。這與水性環(huán)氧樹脂與固化劑在玻璃纖維氈表面和內(nèi)部的交聯(lián)作用有關(guān)。

2.3 復(fù)合材料的粘接力測試

通過水熱循環(huán)法對制備的玻璃纖維織物的結(jié)合度進行研究，結(jié)果如表4所示。

表4 水熱循環(huán)結(jié)果Tab.4 Results of hydrothermal cycle

由表4可知，經(jīng)過水熱循環(huán)處理后，樣品質(zhì)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(jié)合，復(fù)合材料具備較強的整體性。

2.4 復(fù)合材料力學(xué)性能

為進一步驗證GFF/EP的力學(xué)性能，具體結(jié)果如圖3所示。

(a)沖擊性能

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

3 結(jié)語

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

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

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