水性环氧树脂在碳纤维保温材料中的应用

许宏

（中国石化巴陵分公司树脂部，湖南岳阳 414014）

随着光伏太阳能行业的高速发展，其关键设备高温炉、真空炉的市场需求越来越大，而这些高温炉、真空炉又与保温材料有着直接或间接的关系。高温真空炉的炉内温度一般都在1 350℃以上，这就要求其保温材料除了具有良好的保温效果外，还必须能耐高温，而普通的保温材料都无法承受如此高的温度。碳纤维保温材料具有耐热温度高、隔热性好、质量轻、质地柔软、裁剪容易等特点，可以在1 000~3 500℃真空或惰性气体保护下应用，是高温隔热保温的首选材料。

目前，碳纤维保温材料厂家大多采用水溶性酚醛树脂做浸润剂。水溶性酚醛树脂与水性环氧树脂一样，符合当今经济、环保的发展要求，具有广阔的应用前景。同时，在苯酚和甲醛的合成反应中，氨水作为最常用的一种较弱的无机碱性催化剂具有催化作用外，本身还参与树脂的合成反应，形成的含氮化合物极性较弱、难溶于水，易造成树脂的乳化分层，使树脂的水溶性变差。甲醛在反应过程中产生的刺激性气味和毒性造成操作层员工身体的多种危害，不容忽视。另外，不少厂家大多使用工业酒精作为溶剂来溶解树脂，在树脂的干燥固化过程中会产生污染环境的挥发物[1]，存在与空气混合形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的安全危险。水性环氧树脂是指环氧树脂以微粒或液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中而获得的稳定分散体系，具有绿色环保、无气味，导热系数小[2]，热应力好，无需固化剂，安全性高和操作性能佳等优点，可用作碳纤维保温材料浸润剂，适于制备太阳能单晶硅拉伸炉、多晶硅铸锭炉等。笔者以CYDW-112W50水性环氧树脂、浸润剂、质量分数为50%的水（相对于混合乳液）配成混合乳液，将碳毡浸润在其中，经固化、炭化、石墨化等过程制备了高温隔热水性环氧树脂/碳毡保温材料，保温效果较好，具有广阔的应用前景。

1 实验

1.1 原料与设备

原料：巴陵石化公司产CYDW-102W50水性环氧树脂、CYDW-112W50水性环氧树脂；市售水性环氧树脂样品A；碳毡。

设备：EDX-LE型X荧光光谱仪、5100 ICP-OES金属杂质测试仪、VVC-0608型立式真空碳化炉、DRS-III型高温导热系数测试仪。

1.2 水性环氧树脂/碳毡保温材料的制备

1）浸渍固化处理

首先将碳毡浸入CYDW-102W50水性环氧树脂或CYDW-112W50水性环氧树脂、浸润剂加水配成的混合乳液，水的添加量为混合乳液质量分数的30%，50%，70%；然后在一定温度下烘干固化，最终得到具有一定刚度的硬质碳毡试样。

2）碳化石墨化处理

硬质碳毡试样内部残留大量的环氧树脂，环氧树脂在高温下会发生复杂的化学反应，并伴随大量气体的放出和热量的交换。因此，浸渍固化后的硬质碳毡还必须经过高温碳化和石墨化处理，使碳毡中的树脂大量转化为热解碳的同时，除去大量挥发性杂质，提高保温材料碳含量。

将硬质碳毡试样放入真空碳化炉，从室温分步升温至1 800℃，保温一段时间后，使硬质碳毡中吸入的环氧树脂碳热解生成热解碳，然后冷却至室温，即制备得到水性环氧树脂/碳毡保温材料。

1.3 测试及表征

金属杂质含量：将水性环氧树脂试样在控温电炉上加热，使挥发物挥发直至分解碳化；碳化残余物移入650℃马弗炉中，2 h后取出试样，倒入5 mL浓硝酸，在控温电炉上硝解，硝解完成后再过滤定容。定容后的试样在等离子发射光谱仪上测试金属杂质含量。

导热系数：按一定的升温速率升至实验温度，达到稳态后，测量碳纤维保温材料试样的冷、热面温度，中心量热器的水流量（ω）等参数，导热系数（λ）按式（1）计算：

式中：k为常数；Δmv为中心量热器水温升高电动势差；δ为试样厚度；t1为试样热面温度；t2为试样冷面温度。

2 结果与讨论

2.1 树脂中金属杂质含量对保温材料性能的影响

环氧树脂中金属杂质的含量对保温材料的性能影响较大，若环氧树脂中金属杂质含量高，则保温材料导热系数大，热传导速率快，保温效果差；反之则导热系数小，保温效果好。

从表1可以看出，CYDW-112W50、CYDW-102W50两种水性环氧树脂中铝（Al）、钙（Ca）、铜（Cu）、铁（Fe）、钠（Na）等金属杂质含量均较低，满足保温材料行业质量指标要求。与CYDW-102W50水性环氧树脂相比，CYDW-112W50水性环氧树脂的环氧当量高，黏度大，粘结力更强，且金属杂质含量更低，满足保温材料在高温领域的应用。除了可以使用单一的水性环氧树脂体系浸润碳毡制备保温材料外，根据用户黏度需求，也可采用两种水性环氧树脂调配为混合乳液浸润碳毡制备保温材料，从而增大其黏度范围，提高粘结力强度。

表1 两种牌号水性环氧树脂乳液指标对比

2.2 乳液浓度对保温材料性能的影响

碳毡浸渍固化烘干后，树脂会固化并残留于碳毡中，从而使碳毡具有一定的刚度和硬度，形成硬质碳毡。

从表2可以看出，随着水性环氧树脂混合乳液加水量增加，固化后的硬质碳毡试样质量增加值减小，即浸润后的残留物减少。这主要是因为碳毡具有较高的孔隙率，乳液浓度越高，毡体吸收的树脂也越多。从成本上考虑，加水量越多，成本越低，且水量越多越能增加树脂乳液对碳毡的浸润性，但试样碳化后物料残留量降低会影响保温材料的均匀性、密度、导热系数等。因此，浸毡乳液中水的质量分数为50%较适宜。

表2 乳液浓度对碳毡性能的影响

2.3 浸润剂对保温材料性能的影响

以水性环氧为主体树脂的浸润剂渗透入碳纤维毡制备保温材料时，首先要使水性环氧树脂完全、充分地铺展到碳毡表面，也就是说二者之间要有充分的浸润。作为中间结构层的浸润剂[3-4]，其作用是很好地连结无机物（碳毡）和有机物（水性环氧树脂）两相的界面，并传递应力，与基体树脂产生良好的粘结力。

水性环氧树脂分子中的极性羟基和醚键对碳纤维表面有很强的粘附性，对碳纤维有良好的保护功能和集束性。水性环氧树脂作为浸润剂中的粘结成膜剂，与其他组分配合，有利于浸润剂中各组分在碳纤维表面产生吸附和反应，介于碳纤维表面与基体树脂表面之间，起着中间粘结层和传递应力的作用，形成新的固－气界面，从而改变原有碳纤维的界面特性。

2.4 水性环氧树脂对保温材料性能的影响

从表3不同环氧树脂制备的碳毡性能可以看出，水性环氧树脂CYDW-112W50混合乳液浸润后的碳毡固化后的密度为0.212 g/cm3；碳化后的密度为0.188 g/cm3，导热系数为0.113 W/（m·K），性能优于市售水性环氧树脂A，符合生产太阳能硅晶体生长炉热场要求。

表3 不同水性环氧树脂乳液浸润后的碳毡性能

2.5 应用实例

采用CYDW-112W50水性环氧树脂混合乳液浸润制备的碳毡见图1。采用碳毡为主要基材制成的光伏产业碳纤维保温材料产品见图2、3。

图1 碳毡

图2 硬质碳毡保温筒

图3 固化碳毡保温筒

硬质碳毡保温筒和固化碳毡保温筒能有效降低单晶炉热场中的热损失，起到隔热保温的作用。同时，保温筒的多层叠加设计，更有利于温度梯度的稳定。

3 结论

1）以CYDW-112W50水性环氧树脂、浸润剂、质量分数为50%的水（相对于混合乳液）配成混合乳液，将碳毡浸润在混合乳液中，经固化、炭化、石墨化等过程制备的高温隔热材料性能优异，应用前景十分广阔。

2）水性环氧树脂中金属杂质的含量对水性环氧树脂/碳毡保温材料的性能影响较大，若环氧树脂中金属杂质含量高，则保温材料导热系数大，热传导速率快，保温效果差。

3）水性环氧树脂CYDW-112W50混合乳液浸润后的碳毡固化后的密度为0.212 g/cm3；碳化后的密度为0.188 g/cm3，导热系数为0.113 W/（m·K），符合生产太阳能硅晶体生长炉热场要求。