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碳纳米材料改性树脂/纤维/陶瓷超混杂复合材料的力学性能研究及应用

曾  邵

（上海富晨化工有限公司技术研究中心，上海，200235）

摘要：本文以碳纳米材料改性高交联环氧乙烯基树脂为基体、以短切无碱无氟无硼玻璃纤维（ECR玻纤）为增强材料、以非纤维状陶瓷为填料制备出纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料（SHCM），研究了非纤维陶瓷和ECR玻纤对复合材料力学性能的影响。同时，本文还介绍了以碳纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料为基础的UFC材料在烟囱防腐方面的工程实际应用，为工业烟囱防腐改造的材料选择提供了重要参考。

关键词：碳纳米材料改性；超混杂复合材料；烟囱防腐；UFC材料

Study on mechanical properties of carbon nano material modified reisin/fibers/ceramics super hybrid compound material

Zeng Shao

(Shanghai FuChen Chemical Co., Ltd.  R&T Center, Shanghai, 200235)

Abstract: In this paper, a nover super hybrid compound material (SHCM) was prepared with the nanometer carbon material modified high HDT vinyl ester resin,ECR glass fiber and SiC ceramics.We aim at studying on the effect of SiC and ECR glass fiber on the mechanical properties of SHCM. In the end, the application of UFC-SHCM to the anticorrosion against wet FGD Chimney is simply introduced, it is useful of practical guidance.

Key words: Carbon nano material modified；SHCM； Anticorrosion for chimney；UFC

1 引言

超混杂复合材料（Super Hybrid Compound Material,SHCM）由玻璃纤维、合成纤维、金属纤维与非纤维状的陶瓷等无机填料及树脂体系等其他材料组成的复合材料。通过最佳的混杂比和合理的成型工艺，可以得到具有良好的力学性能和优异的耐腐蚀、耐磨等性能等。^[1-2]

非纤维陶瓷具有强度高、耐高温、耐磨、耐腐蚀等优点，用于树脂基复合材料中，可以提高材料的强度和弹性模量，本文以综合性能优异的耐高温、强腐蚀的碳纳米改性高交联环氧乙烯基酯树脂为基体，加入耐腐蚀性好、强度保留率高的无碱无氟无硼玻璃纤维（ECR玻纤）制备出碳纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料。研究了非纤维陶瓷和ECR玻纤对超混杂复合材料力学性能的影响。^[3-5]

2 实验部分

2.1原材料

碳纳米改性高交联环氧乙烯基酯树脂、非纤维陶瓷、ECR短玻纤、引发剂、促进剂、其它助剂等。

2.2工艺

非纤维陶瓷采用偶联剂处理后，加入一定比例的碳纳米改性高交联环氧乙烯基酯树脂和短切纤维（尺寸为30mm），加人促进剂和其它助剂后搅拌均匀，然后加入引发剂，混合均匀后压制成样块。为了研究非纤维陶瓷含量对超混杂复合材料的影响，将增强纤维的含量固定为20%（体积），使非纤维陶瓷的体积含量分别为0、10%、20%和30%；为了研究增强纤维含量对超混杂复合材料的影响，将非纤维陶瓷的体积含量固定为20%，增强纤维的含量分别为5、10%、15%和20%。

2.3测试设备及标准

力学性能测试设备：德国Zwick Roell集团制造的Zwick Allround电子万能试验机；

力学性能测试标准：GB/T1447-2005、GB/T1449-2005。

3结果与讨论

3.1非纤维陶瓷含量对超混杂复合材料的影响

与普通的玻璃纤维增强树脂基复合材料（Fiberglass-Reinforced Plastics ,FRP）相比，碳纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料中的碳纳米材料、非纤维陶瓷改变了普通复合材料的应力结构和破坏模式。从图3.1-1和图3.1-2可以看出，随着非纤维陶瓷含量的增加，超混杂复合材料的弯曲强度有所下降，但弯曲模量却逐步上升。非纤维陶瓷的主要成分为碳化硅（SiC），其硬度高、抗形变能力好，当超混杂复合材料受到弯曲或拉伸应力时，非纤维陶瓷能有效分散消除应力，使超混杂复合材料的形变尽量减少，材料整体的稳定性增强，从而使其弯曲模量显著增强。随着非纤维陶瓷量的增加，超混杂复合材料的弯曲模量随之上升，但是，非纤维陶瓷的刚性好同时也是韧性不足，在受到弯曲应力时，容易断裂，使超混杂复合材料弯曲强度下降。

图3.1-1  超混杂复合材料的弯曲强度和非纤维陶瓷含量的关系

图3.1-2  超混杂复合材料的弯曲模量和非纤维陶瓷含量的关系

图3.1-3 超混杂复合材料的压缩强度和非纤维陶瓷含量的关系

图3.2-4 超混杂复合材料的压缩模量和非纤维陶瓷含量的关系

从图3.1-3和图3.1-4，非纤维陶瓷对超混杂复合材料的压缩强度提高也很明显，但其含量过高时材料的压缩强度反而下降，当体积含量为30%时，超混杂材料的压缩强度和未加入非纤维陶瓷时数据接近，压缩模量也同样如此。这是因为未加入非纤维陶瓷的复合材料在受到压应力时，由基体树脂为承载压力的主体，材料中的ECR纤维使得基体形变减小，从而提高了材料的强度。对于超混杂复合材料，非纤维陶瓷、ECR纤维以及基体树脂一起承受压应力，因为压缩模量和抗压强度都有所提高；但非纤维陶瓷过量时，基体树脂含量降低，所以，超混杂复合材料的压缩强度反而降低。

3.2 ECR玻纤的含量对超混合复合材料的弯曲性能的影响

图3.2可见， 随着ECR玻纤含量的增加，对于碳纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料的弯曲模量和弯曲强度均大幅度提高，在超混合复合材料中，模量和强度较高的ECR玻纤与碳纳米改性基体树脂一起承受外力，当ECR玻纤的含量增加时，超混合复合材料承受外力的能力增强，使弯曲模量和弯曲强度都提高。在材料固化过程中，碳纳米改性树脂固化时会产生收缩，ECR玻纤可以有效降低树脂基体的收缩，预防或减少产生内应力，从而使得材料的整体抗应力得以提高，使材料的弯曲强度和弯曲模量都有提高。

图3.2-1 超混杂复合材料的弯曲强度和ECR含量的关系

图3.2-2 超混杂复合材料的弯曲模量和ECR玻纤含量的关系

4结论

实验表明，非纤维陶瓷有利于碳纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料的尺寸稳定性和刚度提高。加入非纤维陶瓷后，碳纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料的压缩模量和压缩强度增大，随着非纤维陶瓷含量的提高，弯曲强度稍有下降但其弯曲模量大幅度提高；随着ECR玻纤含量的提高，碳纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料的弯曲模量和弯曲强度均明显提高。

5应用

烟囱防腐材料种类和方法很多，复合材料类逐渐成为最重要的选择^[5-9]。针对非钢结构烟囱防腐改造，当然首先要对老烟囱基体处理进行树脂砂浆或者水泥聚合物砂浆修补处理^[10]，另外就是通过物理加固的方法来加强与基体的结合。目前，以碳纳米改性树脂/陶瓷/纤维超混杂复合材料为基础的UFC材料结合优化的工艺设计，已经成功应用于非钢烟囱内防腐。兼具玻璃钢整体烟囱优良性能和特种涂料快捷施工优点的UFC材料防腐方案是目前湿法脱硫烟囱防腐改造的最佳防腐方案，必然代替其他容易失效或综合性价比低的烟囱防腐方案，成为一种主流选择。典型业绩:

(1)赤峰瑞阳化工有限公司，100m新建混凝土烟囱防腐，采用UFC材料设计总厚度5mm，2013年3月施工完毕投入使用至今，效果良好；

（2）山东东营万达集团热电厂，120m钢筋混凝土烟囱防腐改造，采用UFC材料设计总厚度6mm，2014年5月施工完毕投入使用至今，效果良好；

（3）江苏利港电厂一期，240m单筒钢筋混凝土烟囱防腐改造，采用UFC材料设计总厚度6mm，2015年11月施工完毕投入使用至今，效果良好；

（4）江苏利港电厂二期，240m单筒钢筋混凝土烟囱防腐改造，采用UFC材料设计总厚度5mm，目前正在进入施工结束阶段。

参考文献

[1]王济昌.现代科学技术知识简明词典[M].河南科学技术出版社,2006.

[2]唐磊,杜仕国. 轻量化材料技术[M]. 国防工业出版社,2013.

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[10]侯锐钢.浅谈聚合物水泥砂浆在建筑防腐蚀工程中的应用[J].玻璃钢,1999,4:21-28