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R系列固化剂-海因环氧体系浸渍碳纤维布及其与钢的粘接性能
张多太 张曦
(西安太航阻火聚合物研究所·710065)
 
摘  要:本文研究了不同环氧固化体系用以浸碳纤维布及用不同的胶粘接浸胶碳布与钢的粘接性能。发现高温性能主要取决于浸碳布胶,室温性能较高的胶,高温性能则明显偏低。最后得到室温~250℃粘接性能都在10MPa以上,300℃在8~9MPa的浸碳布胶和粘接胶。该胶具有不燃性、无烟,且具有优异的烧蚀性能。
关键词:碳纤维布浸渍胶;粘接胶;R30胶;R1胶
 
0  前言
2000年前,中国的重型汽车碳纤维同步器均从美国进口。 因为碳纤维同步器有以下优越性:使用寿命长,可达16万次,无噪音,摩擦升温不高,操作安全、灵活、可靠。为此,有关人员采用本所产品进行研制。首先要解决碳纤维布的浸渍用胶,再就是碳纤维布与粉末冶金体的粘接胶及相关固化工艺及工装等一系列难题。经几年的努力,逐渐把产品推向市场。04年后产品已形成批量生产能力,年产量达30万件以上,并转而向发达国家出口。今年的生产形势更是喜人,预计可达40万件以上。且使用寿命提高到30万次,远远超过发达国家水平。鉴于以上发展趋势。本所年初开始研究碳纤维布的浸渍用胶及粘接胶的粘接强度、固化工艺、耐高温性能的问题。以下择其有规律的实验数据介绍于后,以供讨论。
 
1  试验计划的总体方案 (已有粘接金属的大量数据)
利用本所发明的耐高温环氧固化剂,利用市售的多种环氧树脂配制双组份和单组份胶浸渍碳纤维布(3k,缎纹,用户提供),并用多种胶粘接碳布和钢试片,在大量的室温粘接试验之后,再根据浸渍胶和粘接胶组成的耐热性和室温数据,有选择地进行高温测试。
 
2  粘接及固化工艺
在选定的浸渍碳布胶先要试验配制适宜的浓度,把碳布浸渍其中,浸泡30分钟,取出,晾干,在80℃予烘一小时,称量,使含胶量在37~45%的范围内,然后裁成12.5mm×20mm的小块,备用。
钢试片除油,再手工砂纸打磨,刷去灰尘。选定的粘接胶配好后,先涂钢试片、再放到80℃烘箱烘5~10分钟,取出,再把浸胶碳布小片两面涂胶,稍晾置,使之与钢试片迭合。用夹具稍加压。80℃烘30分钟再稍压紧,再30分钟,再压紧一次,再30分钟最后加压。然后120℃1小时,150℃1小时,180℃3小时(或180℃2小时+200℃1小时)自然冷却后,测试。
这个固化工艺过程较长,主要是因为浸渍胶和粘接胶 均为溶液型胶,要尽可能地把低分子排出。
 
3  R系列固化剂-海因环氧体系浸渍碳纤维布及其与钢的粘接性能
浸碳布胶配方如下:
6#胶:70%海因环氧乙酸乙酯溶液60g+ R100(50%)乙酸乙酯溶液100g
8#胶:70%海因环氧乙酸乙酯溶液60g+ R60(50%)乙酸乙酯溶液100g
9#胶:70%海因环氧乙酸乙酯溶液40g+ R30(50%)乙酸乙酯溶液60g
浸胶碳布编号相应分别为6#布、8#布、9#布
6#、8#、9#胶对钢-钢的室温剪切强度分别为42MPa、37MPa、33MPa。
这三个配方组成规律是:FB树脂比例依次增大,增韧剂比例依次减小,因而耐热性应依次增加,韧性依次降低。
不同的粘接胶粘接这三种浸胶布与钢的粘接数据如表1,其180℃的粘接性能如表2。按GB7124-86测试,以下同。
 


 

表1:6#、8#、9#碳布与钢的室温剪切强度(MPa)
胶种类
6#布
8#布
9#布
6#胶
18.9
/
/
8#胶
17.2
18.7
20.6
9#胶
12.0
23.0
26.1
3050胶
28.1
20.3
20.3
 
表2:6#、8#、9#碳布与钢的180℃剪切强度(MPa)
胶种类
6#布
8#布
9#布
9#胶
/
3.5
3.8
9#胶+铝粉
/
6.4
4.9
3050胶
0.76
/
/
3050胶的配方:E-51环氧2.5g+R30  50% 乙酸乙酯溶液13g


 

由以上数据看出,粘钢具有很高强度的同一种胶, 粘浸胶碳布与钢的强度都大幅度下降。原因之一是,碳布的极性比钢低得多,其二是中间夹了一层碳布,应力由钢片传到碳布,碳布再将应力传到另一钢片,影响了应力分布。另外可以看出,用同一种胶浸碳布和粘碳布和钢不一定有最高的强度。室温强度高的胶,一般为韧性好的胶,而高温强度则明显下降,这与金属的粘接规律相同。此外,粘接胶中加入适当填料可提高高温强度。由于以上三种浸胶布180℃强度不高,未在往上做高温测试。
 
4  R系列固化剂—E-51环氧体系浸渍碳布及其与钢的粘接性能
3050胶:E-51  25g  R30  50%乙酸乙酯溶液130g  浸碳布为3050布
4650胶:E-51  25g  R46  50%乙酸乙酯溶液146g  浸碳布为4650布
6050胶:E-51  25g  R60  50%乙酸乙酯溶液160g  浸碳布为6050布
它们的组成是,由上而下增韧组分的含量依次增加,韧性应依次增加,耐热性和阻燃性依次下降。它们的粘接胶及其室温粘接强度如表3。可以看出这三种浸胶布无论用E-51环氧,还是用海因环氧胶


 

粘,均没有太高的强度。选取3050胶粘3050碳布作高温测试,性能如表4。
 
5  单组份胶浸渍碳布及其与钢的粘接性能
用R30(50%)乙酸乙酯溶液浸渍碳布为30布,用R1(50%)乙酸乙酯溶液浸渍碳布为R1布。它们都是单组份胶。其不同温度下的性能如表5、表6。
 
表3  R系列固化剂/E-51系列浸胶碳布及其粘接强度/MPa
胶种类
3050布
4650布
6050布
3050胶
20.0
21.7
16.2
4650胶
19.6
20.6
20.6
6050胶
 
16.62
14.0
6#胶
 
15.1
18.9
8#胶
 
19.2
17.2
9#胶
 
16.4
12.0
 
 
表4:3050胶粘3050碳布的高温剪切强度MPa
室温
180℃
250℃
20.0
5.19
1.78
 
表5: 30胶粘30布的剪切强度/MPa
室温
180℃
250℃
300℃
17.0
10.5
5.0
5.95
 
表6:不同粘接胶粘接R1布与钢的剪切强度MPa
胶种类
室温
180℃
250℃
300℃
R1胶
13.4
10.55
11.68
8.6
R1 50胶
17.9
14.6
9.0
8.4
A1胶
/
9.3
7.7
3.9
A2胶
/
10.7
7.9
/
9#胶+铝粉
/
10.1
3.21
/


 

R1 50胶:在R1胶中加少量环氧。
A1胶:AG-80环氧25g+ R30  50%乙酸乙酯溶液130g
A2胶::AG-80环氧25g+ R100  50%乙酸乙酯溶液100g
A1胶粘钢—钢,室温强度26.7MPa,300℃4.2 MPa。
A2胶粘钢—钢,室温强度30.1MPa,300℃0.5MPa。
9#胶见前文。
由以上数据看出,以R1胶粘接R1布的耐热性最好,250℃的强度在10 MPa以上、300℃的强度保持率在60%以上,可谓性能较稳定。其余的几种粘接胶也具有较高的耐热性。实际应用时可根据实际情况进行选择。这些耐热性好的胶都有一个共同的特点,FB树脂所占比例大,而增韧剂,环氧等比例则很小。整个固化产物,交联密度高,刚性大,在单搭拉剪这种特定形式下,其剪切应力分布较集中,因而室温粘接强度不高。这几种耐热性姣好的胶,都不燃烧、无烟,同时具有优异的烧蚀性能,线烧蚀率一般为负值,质量烧蚀率在0.02~0.03g/s附近。
 
6  小结
通过以上试验,可以得出以下初步结论:浸碳布胶和与钢体的粘接胶用同一种胶,不一定强度最高。高温粘接强度主要取决于浸碳布胶。室温强度高的胶,往往高温强度不高,这与金属的粘接类似。浸胶碳布与钢的粘接,影响因素比金属间的粘接复杂。许多问题有待研究讨论。
 



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