一種新型碳纖維膠固化劑的研發(fā) (兼論碳纖維膠固化劑的選擇)
一種新型碳纖維膠固化劑的研發(fā)
(兼論碳纖維膠固化劑的選擇)
(長(zhǎng)沙新德航化工有限公司 盧學(xué)軍)
摘要:
設(shè)計(jì)一個(gè)滿足GB50728-2011標(biāo)準(zhǔn)要求的碳纖維膠的配方,既要求模量高、耐熱性好、韌性好、耐濕熱老化,還需要在較低溫度條件下具有足夠的固化交聯(lián)度,關(guān)鍵在于選擇具有針對(duì)性的固化劑。這樣既能滿足國標(biāo)要求,配方設(shè)計(jì)又簡(jiǎn)單實(shí)用,性價(jià)比高。本文對(duì)碳纖維膠專用固化劑MH-222的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞:
碳纖維膠 固化劑 彈性模量 耐性好 耐熱性 濕熱老化
環(huán)氧增強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量、疲勞強(qiáng)度和耐高溫等優(yōu)異性能,具有密度小、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、抗蠕變等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航天,醫(yī)療、化工、建筑加固領(lǐng)域。在建筑加固領(lǐng)域因其重要輕、比強(qiáng)度高的特點(diǎn),在修補(bǔ)增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的同時(shí)可大幅度降低建筑承重,有取代粘鋼加固的趨勢(shì),將越來越獲得廣泛的應(yīng)用。
一、國標(biāo)對(duì)碳纖維膠的要求:
為開發(fā)一款滿足碳纖維膠GB50728-2011標(biāo)準(zhǔn)要求的碳纖維專用固化劑,我們綜合了國家標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用環(huán)境對(duì)碳纖維膠的要求
1、 潮濕環(huán)境正常使用,常溫固化的交聯(lián)度要高,最好具備低溫5℃以上具有足夠固化度的特性,以滿足環(huán)境溫度高于5℃的大部分環(huán)境下正常使用。
2、 足夠的耐熱性、耐腐蝕性和耐濕熱老化性、憎水性優(yōu)。80℃水煮168小時(shí),強(qiáng)度衰減率﹤10%
3、 足夠的沖擊韌性和粘接強(qiáng)度。
鋼一鋼拉剪≧17Mpa (A級(jí)膠)
鋼一鋼T型沖擊剝高長(zhǎng)度≦10mm (A級(jí)膠)
4、剛性和模量要高,一類膠A級(jí)膠要求受拉彈性模量≧3.3GPa
5、對(duì)碳纖維的浸潤性要好,在添加觸變劑后要抗流掛,防止“掛珠”,具備一定的潮濕界面粘接能力。
綜上所述,一款滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的碳纖維膠,其主體性能取決于固化體系,也就是固化劑的分子結(jié)構(gòu)(因?yàn)榄h(huán)氧具有通用性),這是碳纖維膠的“骨架”所在。如聚酰胺651,韌性好、剛性低,15℃以下固化度不夠,即使通過復(fù)配提高耐熱性和模量,其耐濕熱老化性能,低溫固化的能力仍無法達(dá)到使用要求。因此,我們開發(fā)了MH-222固化劑專用于碳纖維膠浸漬膠的配制
二)、碳纖維膠專用固化劑的特點(diǎn)
MH-222固化劑具有以下特點(diǎn):
1. 分子中含促進(jìn)體系低溫固化劑的酚羥基,可在5℃以上獲得較高固化交聯(lián)度,常溫15℃以上固化交聯(lián)度更高。
2. 分子中含有多個(gè)個(gè)胺基或亞胺基,交聯(lián)點(diǎn)的增多使體子具備足夠的模量和剛性,早期強(qiáng)度上升很快,后期強(qiáng)度進(jìn)一步提升。尤其可以在較大的配比范圍之內(nèi)調(diào)節(jié)固化劑用量,以調(diào)整夏、冬季使用的固化速度。
3. 長(zhǎng)鏈碳原子鏈提供了固化物的伸長(zhǎng)率和抗沖擊強(qiáng)度,尤其適合橋梁加固長(zhǎng)期承受動(dòng)態(tài)應(yīng)力。
4. 分子中兩個(gè)以上的“環(huán)式結(jié)構(gòu)”提供了固化物的剛性和模量以及耐水性,綜合2.3兩點(diǎn)可滿足國際對(duì)沖擊剝離長(zhǎng)度的要求。
5. 耐水性和耐濕熱老化性能好,即使在潮濕的帶水性環(huán)境施工,仍能獲得較好的粘接強(qiáng)度。固化物憎水性強(qiáng),高溫蒸煮強(qiáng)度衰減率低。
6. 較高熱度形溫度,耐熱老化性優(yōu)。
7. 浸潤性好,流平性好。有一定的表面活性,能滿足對(duì)碳纖維的浸潤和補(bǔ)強(qiáng)。
8. 低粘度、低氣味,即使在冬天使用操作性也特別強(qiáng)。
綜上所述,MH-222是針對(duì)碳纖維浸漬膠而開發(fā)的固化劑,它具有韌性和剛性、親水和疏水相結(jié)合的多胺基分子結(jié)構(gòu),多種特性復(fù)合互補(bǔ),綜合性能表現(xiàn)良好。
三、配方舉例
我們使用通用雙酚A環(huán)氧128配合該固化劑,制作成簡(jiǎn)單的碳纖維的浸漬膠配方進(jìn)行了性能測(cè)試
檢測(cè)項(xiàng)目 |
檢測(cè)條件 |
檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) |
數(shù)據(jù) |
抗拉強(qiáng)度(mpa) |
15-18℃X12小時(shí) 60℃X3小時(shí) |
50 |
63.3 |
斷裂伸長(zhǎng)率(%) |
15-18℃X12小時(shí) 60℃X3小時(shí) |
≧1.7 |
6.22 |
抗壓強(qiáng)度(mpa) |
15-18℃X12小時(shí) 60℃X3小時(shí) |
≧65 |
76.3 |
鋼一鋼拉伸剪切強(qiáng)度(mpa) |
15-18℃X12小時(shí) 60℃X3小時(shí) |
≧17 |
25.4 |
鋼一鋼T沖擊剝離長(zhǎng)度(mm) |
15-18℃X12小時(shí) 60℃X3小時(shí) |
≦10 |
6.5 |
耐濕熱老化能力 鋼一鋼拉伸剪切強(qiáng)度下降率(%) |
15-18℃X12小時(shí) 60℃X3小時(shí),80℃水中水煮168小時(shí) |
下降率≦10% |
8.66% |
本參數(shù)依照參考配方,在常溫15℃-18℃下放置12小時(shí),再用60℃烘箱3小時(shí)固化,冷卻后測(cè)得的參數(shù),不排除固化工藝不同測(cè)得的參數(shù)的差異。
綜上所述,針對(duì)碳纖維膠的要求,我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了MH-222固化劑。它綜合考慮碳纖維膠的抗沖擊性、耐熱性、彈性模量、耐濕熱老化性、粘接強(qiáng)度等性能的統(tǒng)一,能滿足GB50728-2011的要求,尤其適合橋梁碳纖維加固使用,配方簡(jiǎn)單,性價(jià)比極高。
參考文獻(xiàn):
1. 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的改性及改性機(jī)理《合成樹脂與塑料》2008,25(?。?75陳立軍、武鳳琴等
2. 建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑于施工應(yīng)用技術(shù) 第二版 北京化工出版社、賀曼曼等