偶聯(lián)劑在乙烯基酯樹脂/SiC 復(fù)合材料中的應(yīng)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(zé)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(yīng)用最廣，最為成熟的脫硫技術(shù)之一[1]。而漿液循環(huán)泵是火電廠濕法脫硫工藝中脫硫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。循環(huán)泵作為一種重要的水力機(jī)械，廣泛應(yīng)用在水電、火電、選礦、石油化工、造紙和污水處理等行業(yè)[2]。長期以來，葉輪、蝸殼和護(hù)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(xiàn)大量的魚鱗坑或蜂窩狀裂紋，引起泵的振動和不穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致泵效率下降，能耗增加，甚至報(bào)廢。為了延長泵的使用壽命，采用非金屬耐磨耐腐蝕復(fù)合材料進(jìn)行制造或者修復(fù)，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(fù)合材料固化后具備優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕耐沖蝕磨損性能，將其作為耐磨涂層材料應(yīng)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(qū)及變形。這種復(fù)合材料除了可用于過流部件表面耐磨耐腐蝕的預(yù)置涂層及易磨損過流部件的表面修復(fù)之外，還廣泛用于修補(bǔ)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(fù)合材料來說，樹脂與顆粒之間的界面往往是應(yīng)力集中點(diǎn)和微裂紋發(fā)起點(diǎn)，為了進(jìn)一步提高界面之間的粘接強(qiáng)度，提高材料的整體性能，就需要一種界面交聯(lián)劑，稱為偶聯(lián)劑。在樹脂膠粘劑中最成熟和最實(shí)用的就是有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑，本試驗(yàn)采用的KH-570就屬此類偶聯(lián)劑[6]。

有機(jī)硅烷偶聯(lián)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(lián)劑與95%的乙醇溶液配成稀溶液，使用時(shí)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(lián)劑直接加到樹脂中，混合后依靠分子的擴(kuò)散作用，偶聯(lián)劑分子遷移到粘接界面處產(chǎn)生偶聯(lián)作用。

本文著重研究了在乙烯基酯樹脂/SiC 復(fù)合材料中加入偶聯(lián)劑KH-570 對共混體系粘接強(qiáng)度（包括剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度）以及耐磨性的影響，以便確定偶聯(lián)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(shí)驗(yàn)部分

2.1 原材料

SiC 級配砂；聚氨酯改性環(huán)氧乙烯基酯樹脂；有機(jī)硅油消泡劑；引發(fā)劑：低活過氧化甲乙酮；促進(jìn)劑：6%的環(huán)烷酸鈷溶液；偶聯(lián)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(jìn)劑+引發(fā)劑+偶聯(lián)劑改性SiC 級配砂；2）遷移法加料順序：樹脂+消泡劑+偶聯(lián)劑+促進(jìn)劑+引發(fā)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(qiáng)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(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度以及乙烯基酯樹脂與SiC 顆粒間的彎曲強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行剪切強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行拉伸強(qiáng)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(jìn)行彎曲強(qiáng)度和沖蝕磨損性能（耐磨性）測定。

剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度用試樣均為4 組，其中剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度在萬能試驗(yàn)機(jī)上測定，彎曲強(qiáng)度在工程陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上測定，并最終取4 組結(jié)果的平均值。

沖蝕磨損試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室自制的沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，參數(shù)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(shí)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(yàn)結(jié)果及分析

3.1 KH-570 對粘接強(qiáng)度的影響（見圖1）

圖1 KH-570 的使用對粘結(jié)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(qiáng)度，并且隨著KH-570 加入量的增加，粘接強(qiáng)度（剪切、拉伸、彎曲強(qiáng)度）都呈現(xiàn)一種趨勢：先呈線性增大，直至最高值，然后緩慢降低。當(dāng)KH-570 加入量為1.5%時(shí)，剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到最高值，分別為42.0MPa，38.0MPa，101.2MPa，與不加偶聯(lián)劑時(shí)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(lián)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(yōu)。

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(fù)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(jié)強(qiáng)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(shí)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(jié)合處將產(chǎn)生反復(fù)的變形，最終形成疲勞裂紋。隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，必將引起SiC顆粒與樹脂的結(jié)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(huán)過程?？梢姌渲cSiC 顆粒間的界面結(jié)合強(qiáng)度對復(fù)合涂層的磨損速度有著決定性的影響。界面結(jié)合強(qiáng)度越大，越不易失效，顆粒脫落的可能性大大減小，復(fù)合涂層的磨損量就越小。因此提高各相之間界面結(jié)合強(qiáng)度是提高復(fù)合材料耐磨性的關(guān)鍵因素。而偶聯(lián)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(jié)論

1) 乙烯基酯樹脂粘接SiC 顆粒復(fù)合材料中加入KH-570 后，可顯著提高其粘接強(qiáng)度，隨著KH-570 加入量的增大，粘接強(qiáng)度都呈現(xiàn)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(dāng)加入量為1.5%時(shí)，綜合粘接強(qiáng)度最優(yōu)。

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