阳白梅，刘 凯，李秋南，赵 涛，黄 涛

（汉江弘源襄阳碳化硅特种陶瓷有限责任公司，湖北 襄阳 441000）

1 概述

乙烯基酯树脂是20 世纪60 年代开始应用的新型树脂，主要由环氧树脂与不饱和的一元羧酸（多为丙烯酸）聚合而成，也称为环氧丙烯酸树脂。其工艺性能与不饱和聚酯相似，化学结构和环氧树脂相近，因而具有优异的耐化学品和耐溶剂性，结合了聚酯和环氧树脂的长处，是一种优良的耐腐蚀树脂[1]。

碳化硅（SiC）俗称金刚砂，是用石英砂、石油焦或煤焦、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。它是由元素周期表中Ⅳ-Ⅳ主族元素构成的二元化合物，碳化硅晶体和金刚石一样，是原子晶体，空间网状结构，1 个C 与4 个Si 形成正四面体结构，一个晶胞内有4个碳原子和4 个Si 原子，Si-C 间通过强的sp3 键结合。独特的结构赋予了碳化硅材料众多的优异性能。其硬度很高，莫氏硬度为9.5 级，仅次于世界上最硬的金刚石（10 级），具有强度高、耐磨性好、耐化学腐蚀性强、抗氧化性优良、热导率高、高温稳定性好、热膨胀系数低等优点，从而被广泛应用于高性能复合材料的制备。

将固定级配的碳化硅颗粒混合均匀，加入一定比例的乙烯基酯树脂，通过常温自固化和高温后固化后，形成一种新型的乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷材料，力学强度高，冲击韧性好，耐磨性好、耐化学腐蚀性强，对金属和非金属材料的表面具有优异的黏结强度，常温抗折强度高达100 MPa 以上，适用于各种受介质冲刷磨蚀、腐蚀工件（如渣浆泵泵体、叶轮、护板、短管等）的修复，具有良好的可塑性，可作成各种形状的工件或设备，是耐腐、耐磨合金材料良好的替代品[2-5]。

乙烯基酯树脂在使用过程中常存在以下问题：凝胶固化时间受环境温度影响较大，夏季环境温度较高（≥30 ℃）时，树脂凝胶时间一般不超过20 min，可操作时间严重不足，产品收缩较大，热应力集中，易产生裂纹。因此，希望在乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷过流部件的成型过程中最好具有以下5 个特点：

1）乙烯基酯树脂有较长的凝胶时间，以便于常温施工，一般要求凝胶时间在3 h 左右；

2）乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷材料浇注入模具型腔后有较快的固化速度，以提高生产效率，一般要求凝胶至固化的时间不长于1 h；

3）凝胶固化时放热缓慢，放热峰温度尽可能低，以减少产品内部的热应力；

4）乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷材料的黏度尽可能低，流动性尽可能好，以便于快速脱除混合料中裹挟的气泡以及便于操作；

5）固化时的收缩尽可能小，以防止产品发生形变或关键尺寸发生变化等。

因此，根据实际生产情况（如夏天环境温度过高），寻找合适的固化助剂对乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷材料用的胶液配方进行调整和优化，是目前一直在进行的工作。本文系统研究了一种助剂乙酰丙酮对乙烯基酯树脂/SiC 复合材料固化性能的影响。

2 实验部分

2.1 原材料

填料，SiC 级配砂；树脂：标准双酚A 型环氧乙烯基酯树脂；促进剂：6%的环烷酸钴溶液；固化剂：低活过氧化甲乙酮；延迟剂：乙酰丙酮；有机硅油消泡剂：偶联剂。

2.2 实验仪器

超级恒温槽，CS501-SP；铂热电阻温度自动记录仪，MIK-R200T。

2.3 试样的制备及实验方法

2.3.1 凝胶固化时间的测定

按照下页表1 所示组分和编号顺序进行混料，加料步骤为：取100 g 乙烯基酯树脂于250 mL 一次性塑料杯中，控制恒温槽内的水温恒定为35 ℃（模拟夏季环境温度较高时的场景），加入消泡剂0.5 g，偶联剂3 g，促进剂质量分数为6%的环烷酸钴溶液0.1 g，延迟剂乙酰丙酮0.02～0.14 g，固化剂低活过氧化甲乙酮2 g，观察记录树脂的凝胶时间和固化时间。

表1 试样制备方案

2.3.2 放热峰温度的测定

实验条件同上，树脂固化放热峰温度的测定在铂热电阻温度自动记录仪上进行。

2.3.3 弯曲强度的测定

为了确定延迟剂乙酰丙酮的加入量对乙烯基酯树脂与SiC 颗粒间以及乙烯基酯树脂/SiC 混合料与金属间粘接强度的影响，测定了乙烯基酯树脂与SiC复合陶瓷材料制品的弯曲强度。按照表1 所示组分和编号顺序混合好料后，加入SiC 级配砂，在模具型腔中振动成型150 mm×25 mm×25 mm 的试样，固化脱模后进行弯曲强度的测定。

弯曲强度用试样为4 组，在工程陶瓷弯曲强度试验机上测定，并最终取4 组结果的平均值。

3 实验结果及分析

3.1 乙酰丙酮加入量对凝胶固化时间的影响（见图1）

图1 乙酰丙酮加入量对凝胶固化时间的影响

由图1 可以看出，在一定的范围内，随着乙酰丙酮用量的增加，乙烯基酯树脂的凝胶时间和固化时间明显延长、凝胶至固化的时间明显缩短。当延迟剂乙酰丙酮的加入量为0.1%时，凝胶时间为180 min，固化时间为195 min，凝胶至固化时间（15 min）最短，固化速度最快，满足工艺要求；当延迟剂乙酰丙酮的加入量超过0.1%时，凝胶时间稍有延长，但固化时间明显延长，凝胶至固化时间变长；当延迟剂乙酰丙酮的加入量为0.14%时，凝胶时间为200 min，固化时间为280 min，凝胶至固化时间（80 min）明显延长，固化速度减慢，不利于生产工艺，导致生产周期延长，生产效率降低。

3.2 乙酰丙酮加入量对放热峰温度的影响（见图2）

图2 乙酰丙酮加入量对放热峰温度的影响

由图2 可以看出，随着乙酰丙酮用量的增加，乙烯基酯树脂的放热峰温度明显降低。当延迟剂乙酰丙酮的加入量为0.1%时，放热峰温度为110℃，再增加乙酰丙酮的加入量，放热峰温度虽有降低，但降低缓慢。

3.3 乙酰丙酮加入量对弯曲强度的影响（见图3）

图3 乙酰丙酮加入量对弯曲强度的影响

由图3 可以看出，当乙酰丙酮的加入量≤0.1%时，对乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷材料的弯曲强度基本没有影响，但当乙酰丙酮的加入量超过0.1%时，弯曲强度明显下降。

4 结论

1）乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷材料中加入延迟剂乙酰丙酮后，凝胶时间和固化时间明显延长，凝胶至固化时间明显缩短，固化速度明显提高，生产中的可操作时间明显变长，生产工艺更加稳定；

2）乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷材料中加入延迟剂乙酰丙酮后，放热峰温度明显降低，产品热应力得以释放，大大降低了产品产生裂纹的可能性，极大提高了生产效率和产品质量，降低了由于树脂不稳定造成的产品报废，提高了经济效益；

3）乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷材料中加入延迟剂乙酰丙酮后，对产品的弯曲强度几乎没有影响；

4）在夏季环境温度较高（35 ℃以上）进行乙烯基酯树脂/SiC 复合陶瓷部件的生产时，室温固化条件下延迟剂乙酰丙酮的最佳加入量为0.1%。若环境温度更高，可通过降低原料温度来控制凝胶和固化时间，从而更好地满足工艺要求。