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）
（長沙新德航化工有限公司 盧學(xué)軍）
摘要：
設(shè)計一個滿足GB50728-2011標準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性的固化劑。這樣既能滿足國標要求，配方設(shè)計又簡單實用，性價比高。本文對碳纖維膠專用固化劑MH-222的研發(fā)和應(yīng)用進行了闡述。
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)氧增強的碳纖維復(fù)合材料具有高的比強度、比模量、疲勞強度和耐高溫等優(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，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、比強度高的特點，在修補增強建筑結(jié)構(gòu)的同時可大幅度降低建筑承重，有取代粘鋼加固的趨勢，將越來越獲得廣泛的應(yīng)用。
一、國標對碳纖維膠的要求：
為開發(fā)一款滿足碳纖維膠GB50728-2011標準要求的碳纖維專用固化劑，我們綜合了國家標準及應(yīng)用環(huán)境對碳纖維膠的要求
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，強度衰減率﹤10%
3、 足夠的沖擊韌性和粘接強度。
鋼一鋼拉剪≧17Mpa (A級膠)
鋼一鋼T型沖擊剝高長度≦10mm (A級膠)
4、剛性和模量要高，一類膠A級膠要求受拉彈性模量≧3.3GPa
5、對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，一款滿足標準要求的碳纖維膠，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)（因為環(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
MH-222固化劑具有以下特點：
1. 分子中含促進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. 分子中含有多個個胺基或亞胺基，交聯(lián)點的增多使體子具備足夠的模量和剛性，早期強度上升很快，后期強度進一步提升。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. 長鏈碳原子鏈提供了固化物的伸長率和抗沖擊強度，尤其適合橋梁加固長期承受動態(tài)應(yīng)力。
4. 分子中兩個以上的“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2.3兩點可滿足國際對沖擊剝離長度的要求。
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度。固化物憎水性強，高溫蒸煮強度衰減率低。
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，能滿足對碳纖維的浸潤和補強。
8. 低粘度、低氣味，即使在冬天使用操作性也特別強。
綜上所述，MH-222是針對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，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，制作成簡單的碳纖維的浸漬膠配方進行了性能測試
|
檢測項目 |
檢測條件 |
檢驗標準 |
數(shù)據(jù) |
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抗拉強度（mpa） |
15-18℃X12小時 60℃X3小時 |
50 |
63.3 |
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斷裂伸長率（%） |
15-18℃X12小時 60℃X3小時 |
≧1.7 |
6.22 |
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抗壓強度（mpa） |
15-18℃X12小時 60℃X3小時 |
≧65 |
76.3 |
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鋼一鋼拉伸剪切強度（mpa） |
15-18℃X12小時 60℃X3小時 |
≧17 |
25.4 |
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鋼一鋼T沖擊剝離長度（mm） |
15-18℃X12小時 60℃X3小時 |
≦10 |
6.5 |
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耐濕熱老化能力 鋼一鋼拉伸剪切強度下降率（%） |
15-18℃X12小時 60℃X3小時，80℃水中水煮168小時 |
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，再用60℃烘箱3小時固化，冷卻后測得的參數(shù)，不排除固化工藝不同測得的參數(shù)的差異。
綜上所述，針對碳纖維膠的要求，我們設(shè)計研發(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，配方簡單，性價比極高。
參考文獻：
1. 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的改性及改性機理《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
