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R系列固化劑-海因環氧體系浸漬碳纖維布及其與鋼的粘接性能
張多太 張曦
(西安太航阻火聚合物研究所·710065)
 
摘  要:本文研究了不同環氧固化體系用以浸碳纖維布及用不同的膠粘接浸膠碳布與鋼的粘接性能。發現高溫性能主要取決于浸碳布膠,室溫性能較高的膠,高溫性能則明顯偏低。最后得到室溫~250℃粘接性能都在10MPa以上,300℃在8~9MPa的浸碳布膠和粘接膠。該膠具有不燃性、無煙,且具有優異的燒蝕性能。
關鍵詞:碳纖維布浸漬膠;粘接膠;R30膠;R1膠
 
0  前言
2000年前,中國的重型汽車碳纖維同步器均從美國進口。 因為碳纖維同步器有以下優越性:使用壽命長,可達16萬次,無噪音,摩擦升溫不高,操作安全、靈活、可靠。為此,有關人員采用本所產品進行研制。首先要解決碳纖維布的浸漬用膠,再就是碳纖維布與粉末冶金體的粘接膠及相關固化工藝及工裝等一系列難題。經幾年的努力,逐漸把產品推向市場。04年后產品已形成批量生產能力,年產量達30萬件以上,并轉而向發達國家出口。今年的生產形勢更是喜人,預計可達40萬件以上。且使用壽命提高到30萬次,遠遠超過發達國家水平。鑒于以上發展趨勢。本所年初開始研究碳纖維布的浸漬用膠及粘接膠的粘接強度、固化工藝、耐高溫性能的問題。以下擇其有規律的實驗數據介紹于后,以供討論。
 
1  試驗計劃的總體方案 (已有粘接金屬的大量數據)
利用本所發明的耐高溫環氧固化劑,利用市售的多種環氧樹脂配制雙組份和單組份膠浸漬碳纖維布(3k,緞紋,用戶提供),并用多種膠粘接碳布和鋼試片,在大量的室溫粘接試驗之后,再根據浸漬膠和粘接膠組成的耐熱性和室溫數據,有選擇地進行高溫測試。
 
2  粘接及固化工藝
在選定的浸漬碳布膠先要試驗配制適宜的濃度,把碳布浸漬其中,浸泡30分鐘,取出,晾干,在80℃予烘一小時,稱量,使含膠量在37~45%的范圍內,然后裁成12.5mm×20mm的小塊,備用。
鋼試片除油,再手工砂紙打磨,刷去灰塵。選定的粘接膠配好后,先涂鋼試片、再放到80℃烘箱烘5~10分鐘,取出,再把浸膠碳布小片兩面涂膠,稍晾置,使之與鋼試片迭合。用夾具稍加壓。80℃烘30分鐘再稍壓緊,再30分鐘,再壓緊一次,再30分鐘最后加壓。然后120℃1小時,150℃1小時,180℃3小時(或180℃2小時+200℃1小時)自然冷卻后,測試。
這個固化工藝過程較長,主要是因為浸漬膠和粘接膠 均為溶液型膠,要盡可能地把低分子排出。
 
3  R系列固化劑-海因環氧體系浸漬碳纖維布及其與鋼的粘接性能
浸碳布膠配方如下:
6#膠:70%海因環氧乙酸乙酯溶液60g+ R100(50%)乙酸乙酯溶液100g
8#膠:70%海因環氧乙酸乙酯溶液60g+ R60(50%)乙酸乙酯溶液100g
9#膠:70%海因環氧乙酸乙酯溶液40g+ R30(50%)乙酸乙酯溶液60g
浸膠碳布編號相應分別為6#布、8#布、9#布
6#、8#、9#膠對鋼-鋼的室溫剪切強度分別為42MPa、37MPa、33MPa。
這三個配方組成規律是:FB樹脂比例依次增大,增韌劑比例依次減小,因而耐熱性應依次增加,韌性依次降低。
不同的粘接膠粘接這三種浸膠布與鋼的粘接數據如表1,其180℃的粘接性能如表2。按GB7124-86測試,以下同。
 


 

表1:6#、8#、9#碳布與鋼的室溫剪切強度(MPa)
膠種類
6#布
8#布
9#布
6#膠
18.9
/
/
8#膠
17.2
18.7
20.6
9#膠
12.0
23.0
26.1
3050膠
28.1
20.3
20.3
 
表2:6#、8#、9#碳布與鋼的180℃剪切強度(MPa)
膠種類
6#布
8#布
9#布
9#膠
/
3.5
3.8
9#膠+鋁粉
/
6.4
4.9
3050膠
0.76
/
/
3050膠的配方:E-51環氧2.5g+R30  50% 乙酸乙酯溶液13g


 

由以上數據看出,粘鋼具有很高強度的同一種膠, 粘浸膠碳布與鋼的強度都大幅度下降。原因之一是,碳布的極性比鋼低得多,其二是中間夾了一層碳布,應力由鋼片傳到碳布,碳布再將應力傳到另一鋼片,影響了應力分布。另外可以看出,用同一種膠浸碳布和粘碳布和鋼不一定有最高的強度。室溫強度高的膠,一般為韌性好的膠,而高溫強度則明顯下降,這與金屬的粘接規律相同。此外,粘接膠中加入適當填料可提高高溫強度。由于以上三種浸膠布180℃強度不高,未在往上做高溫測試。
 
4  R系列固化劑—E-51環氧體系浸漬碳布及其與鋼的粘接性能
3050膠:E-51  25g  R30  50%乙酸乙酯溶液130g  浸碳布為3050布
4650膠:E-51  25g  R46  50%乙酸乙酯溶液146g  浸碳布為4650布
6050膠:E-51  25g  R60  50%乙酸乙酯溶液160g  浸碳布為6050布
它們的組成是,由上而下增韌組分的含量依次增加,韌性應依次增加,耐熱性和阻燃性依次下降。它們的粘接膠及其室溫粘接強度如表3?梢钥闯鲞@三種浸膠布無論用E-51環氧,還是用海因環氧膠


 

粘,均沒有太高的強度。選取3050膠粘3050碳布作高溫測試,性能如表4。
 
5  單組份膠浸漬碳布及其與鋼的粘接性能
用R30(50%)乙酸乙酯溶液浸漬碳布為30布,用R1(50%)乙酸乙酯溶液浸漬碳布為R1布。它們都是單組份膠。其不同溫度下的性能如表5、表6。
 
表3  R系列固化劑/E-51系列浸膠碳布及其粘接強度/MPa
膠種類
3050布
4650布
6050布
3050膠
20.0
21.7
16.2
4650膠
19.6
20.6
20.6
6050膠
 
16.62
14.0
6#膠
 
15.1
18.9
8#膠
 
19.2
17.2
9#膠
 
16.4
12.0
 
 
表4:3050膠粘3050碳布的高溫剪切強度MPa
室溫
180℃
250℃
20.0
5.19
1.78
 
表5: 30膠粘30布的剪切強度/MPa
室溫
180℃
250℃
300℃
17.0
10.5
5.0
5.95
 
表6:不同粘接膠粘接R1布與鋼的剪切強度MPa
膠種類
室溫
180℃
250℃
300℃
R1膠
13.4
10.55
11.68
8.6
R1 50膠
17.9
14.6
9.0
8.4
A1膠
/
9.3
7.7
3.9
A2膠
/
10.7
7.9
/
9#膠+鋁粉
/
10.1
3.21
/


 

R1 50膠:在R1膠中加少量環氧。
A1膠:AG-80環氧25g+ R30  50%乙酸乙酯溶液130g
A2膠::AG-80環氧25g+ R100  50%乙酸乙酯溶液100g
A1膠粘鋼—鋼,室溫強度26.7MPa,300℃4.2 MPa。
A2膠粘鋼—鋼,室溫強度30.1MPa,300℃0.5MPa。
9#膠見前文。
由以上數據看出,以R1膠粘接R1布的耐熱性最好,250℃的強度在10 MPa以上、300℃的強度保持率在60%以上,可謂性能較穩定。其余的幾種粘接膠也具有較高的耐熱性。實際應用時可根據實際情況進行選擇。這些耐熱性好的膠都有一個共同的特點,FB樹脂所占比例大,而增韌劑,環氧等比例則很小。整個固化產物,交聯密度高,剛性大,在單搭拉剪這種特定形式下,其剪切應力分布較集中,因而室溫粘接強度不高。這幾種耐熱性姣好的膠,都不燃燒、無煙,同時具有優異的燒蝕性能,線燒蝕率一般為負值,質量燒蝕率在0.02~0.03g/s附近。
 
6  小結
通過以上試驗,可以得出以下初步結論:浸碳布膠和與鋼體的粘接膠用同一種膠,不一定強度最高。高溫粘接強度主要取決于浸碳布膠。室溫強度高的膠,往往高溫強度不高,這與金屬的粘接類似。浸膠碳布與鋼的粘接,影響因素比金屬間的粘接復雜。許多問題有待研究討論。
 



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