陶瓷高压注浆用环氧多孔树脂透水模具

黄月文 ，鲁道欢，王 斌 ，郑 周

（1.广东省陶瓷产业精细化学品工程技术研究中心，广州510650； 2.中科院广州化学有限公司，广州510650； 3.佛山市功能高分子材料与精细化学品专业中心，佛山528000）

关健词：环氧树脂，多孔模具，透水，高压注浆

1 前言

随着国内劳动力成本的大幅提升和国家环保节能政策的全面实施，国内陶瓷企业对高效节能和环保的现代高压注浆技术越加迫切。机械设备和模具材料是高压注浆技术的关键，其中模具材料目前主要有欧美为代表的丙烯酸型多孔树脂模具[1-3]和日本为代表的环氧型树脂模具[4-8]，它们各有其特点。

本文在长期研究丙烯酸型和环氧型多孔复合材料的基础上，制备了适合工业规模生产的环氧型多孔树脂透水模具，研究其制备成型工艺、影响因子、性能和陶瓷生产线上的制备工艺。

2 实验部分

2.1 主要原料

环氧树脂、脂肪胺、多元酸、不同粒径的无机粉料一批、原料等均为市售工业品，助剂、改性剂1、改性剂2、改性剂3、改性剂4为自制。

2.2 树脂部分

将环氧树脂和无机粉料1及改性剂3混合得到树脂R1，另将环氧树脂和改性剂4混合得到树脂R2。

2.3 固化剂部分

按照文献[4]的方法分别制备亲水性固化剂1和憎水性固化剂2，然后将固化剂1和改性剂1复合得到改性固化剂C1，将固化剂2和改性剂2复合得到改性固化剂C2。

2.4 水相部分

将三种不同粒径的粉料按照一定的比例混合后，加入水和助剂，搅拌均匀后得到水相部分。

2.5 模具配制与成型

实验模具配制与成型如图1所示。

图1 模具简单配制成型工艺

2.6 性能测试

按照文献[1-4]的方法分别测试成型模具的抗压强度、吸水率、孔隙率和孔径分布。

3 结果与讨论

3.1 聚合固化过程

环氧树脂与固化剂混合后是个开始缓慢放热后因温度上升而自动加速的过程，在室温低于20℃下反应很慢，特别是水性环氧中含有大量的水时，由于水的吸热大，温度上升更加缓慢。为了保证环氧的固化强度，一般应在室温25℃以上固化水性环氧为合适条件。图2是固定树脂相与水相的质量比例为1：1.5下室温30℃时测出的水性环氧聚合反应放热曲线，刚开始时由于树脂与固化剂预混合后加热水相时因固化剂乳化而放出一定的热，使得开始时温度高于室温30℃，随着时间延长，模具中心反应达到最高的温度为43.5℃，随后缓慢下降，逐步固化成型。

3.2 环境温度对成型强度的影响

众所周知，环氧树脂固化深受环境温度影响，水性环氧中的水份使得环氧的后期放热加速环氧固化的效应更小。图3是环境温度对水性环氧固化早期1天和3天强度的影响。在10℃下，水性环氧1天、3天都几乎没有强度，20℃强度明显上升，达到30℃以上时固化快，早期强度高。

图2 室温30℃下聚合反应温度变化曲线

图3 环境温度对固化成型模具早期强度的影响

3.3 树脂相和水相比例的影响

复合材料中环氧树脂作为胶结材料，很明显其用量对复合材料的强度影响很大。表1表明，模具（复合材料）抗压强度随树脂相和水相的比例的增加而下降，而透水性则相反。综合考虑，以树脂相与水相比为1：1.5～2.5之间最为合适。

3.4 乳化改性剂对孔径的影响

聚合成孔受水相填料堆积成孔和水相乳化成核的影响。通过合理使用乳化改性剂使水相乳化成核的微观乳滴大小发生变化，从而可在一定范围实现孔径调控。乳化改性剂的亲水亲油平衡值直接影响乳化，进而影响孔径。表2是几种乳化改性剂对孔径的影响实验结果。可见，乳化改性剂亲油性增加，模具最可几孔径变大。

表1 模具抗压强度与两相比例的关系

表2 乳化剂亲水亲油性对多孔模具孔径的影响

图4是两种不同乳化改性剂下的模具孔径分布图（压汞法测试）。亲油性较强的乳化改性剂制备的模具的最可几孔径为10.2 μm，亲水性较强的乳化改性剂制备的模具最可几孔径为3.9 μm，两者差别显著。

图4 模具孔径分布图（压汞法）

3.5 吸水率和透水性

通过乳化改性和合理使用成孔剂水的量可制备出具有连通孔结构的开孔型透水模具。当水用量不足时，内部之间的孔隙不能相互贯通，不具有整体透水性。当水量足够时，各个孔隙区域相互连通，形成通孔的透水材料。水用量大，相互连通的孔隙多，吸水率增加。亲油性较强的乳化改性剂2制备的模具孔径大，在较小的压力下能显示出较快的透水透气性，呈现优异的透水透气性能。

表3 乳化改性剂和水用量对模具吸水率和透水性的影响

3.6 SEM

图5是成型模具的扫描电镜SEM图。由图5清晰可见其开孔结构。

图5 成型模具SEM图

4 应用

在高压注浆生产线上使用的模具（见图6）成型工艺，与丙烯酸多孔树脂模具一致，只是使用材料不同，可参考文献[2]的方法。

特别提出，在寒冷的冬天，成型模具经常还需要进一步在40～60℃的环境中后固化，以保证模具有足够的强度，提高模具使用寿命。

图6 制造的大型模具图片

5 结论

以环氧树脂、改性固化剂、填料和水为主要组分制备的模具具有体积收缩小、孔径小的特点，在高压注浆生产线上有其独特的优势，但是与丙烯酸型模具相比，强度较低，使用寿命较短，有待下一步详细研究。