陶瓷高壓注漿用環氧多孔樹脂透水模具

黃月文 ，魯道歡，王 斌 ，鄭 周

（1.廣東省陶瓷產業精細化學品工程技術研究中心，廣州510650； 2.中科院廣州化學有限公司，廣州510650； 3.佛山市功能高分子材料與精細化學品專業中心，佛山528000）

關健詞：環氧樹脂，多孔模具，透水，高壓注漿

1 前言

隨著國內勞動力成本的大幅提升和國家環保節能政策的全面實施，國內陶瓷企業對高效節能和環保的現代高壓注漿技術越加迫切。機械設備和模具材料是高壓注漿技術的關鍵，其中模具材料目前主要有歐美為代表的丙烯酸型多孔樹脂模具[1-3]和日本為代表的環氧型樹脂模具[4-8]，它們各有其特點。

本文在長期研究丙烯酸型和環氧型多孔復合材料的基礎上，制備了適合工業規模生產的環氧型多孔樹脂透水模具，研究其制備成型工藝、影響因子、性能和陶瓷生產線上的制備工藝。

2 實驗部分

2.1 主要原料

環氧樹脂、脂肪胺、多元酸、不同粒徑的無機粉料一批、原料等均為市售工業品，助劑、改性劑1、改性劑2、改性劑3、改性劑4為自制。

2.2 樹脂部分

將環氧樹脂和無機粉料1及改性劑3混合得到樹脂R1，另將環氧樹脂和改性劑4混合得到樹脂R2。

2.3 固化劑部分

按照文獻[4]的方法分別制備親水性固化劑1和憎水性固化劑2，然后將固化劑1和改性劑1復合得到改性固化劑C1，將固化劑2和改性劑2復合得到改性固化劑C2。

2.4 水相部分

將三種不同粒徑的粉料按照一定的比例混合后，加入水和助劑，攪拌均勻后得到水相部分。

2.5 模具配制與成型

實驗模具配制與成型如圖1所示。

圖1 模具簡單配制成型工藝

2.6 性能測試

按照文獻[1-4]的方法分別測試成型模具的抗壓強度、吸水率、孔隙率和孔徑分布。

3 結果與討論

3.1 聚合固化過程

環氧樹脂與固化劑混合后是個開始緩慢放熱后因溫度上升而自動加速的過程，在室溫低于20℃下反應很慢，特別是水性環氧中含有大量的水時，由于水的吸熱大，溫度上升更加緩慢。為了保證環氧的固化強度，一般應在室溫25℃以上固化水性環氧為合適條件。圖2是固定樹脂相與水相的質量比例為1：1.5下室溫30℃時測出的水性環氧聚合反應放熱曲線，剛開始時由于樹脂與固化劑預混合后加熱水相時因固化劑乳化而放出一定的熱，使得開始時溫度高于室溫30℃，隨著時間延長，模具中心反應達到最高的溫度為43.5℃，隨后緩慢下降，逐步固化成型。

3.2 環境溫度對成型強度的影響

眾所周知，環氧樹脂固化深受環境溫度影響，水性環氧中的水份使得環氧的后期放熱加速環氧固化的效應更小。圖3是環境溫度對水性環氧固化早期1天和3天強度的影響。在10℃下，水性環氧1天、3天都幾乎沒有強度，20℃強度明顯上升，達到30℃以上時固化快，早期強度高。

圖2 室溫30℃下聚合反應溫度變化曲線

圖3 環境溫度對固化成型模具早期強度的影響

3.3 樹脂相和水相比例的影響

復合材料中環氧樹脂作為膠結材料，很明顯其用量對復合材料的強度影響很大。表1表明，模具（復合材料）抗壓強度隨樹脂相和水相的比例的增加而下降，而透水性則相反。綜合考慮，以樹脂相與水相比為1：1.5～2.5之間最為合適。

3.4 乳化改性劑對孔徑的影響

聚合成孔受水相填料堆積成孔和水相乳化成核的影響。通過合理使用乳化改性劑使水相乳化成核的微觀乳滴大小發生變化，從而可在一定范圍實現孔徑調控。乳化改性劑的親水親油平衡值直接影響乳化，進而影響孔徑。表2是幾種乳化改性劑對孔徑的影響實驗結果。可見，乳化改性劑親油性增加，模具最可幾孔徑變大。

表1 模具抗壓強度與兩相比例的關系

表2 乳化劑親水親油性對多孔模具孔徑的影響

圖4是兩種不同乳化改性劑下的模具孔徑分布圖（壓汞法測試）。親油性較強的乳化改性劑制備的模具的最可幾孔徑為10.2 μm，親水性較強的乳化改性劑制備的模具最可幾孔徑為3.9 μm，兩者差別顯著。

圖4 模具孔徑分布圖（壓汞法）

3.5 吸水率和透水性

通過乳化改性和合理使用成孔劑水的量可制備出具有連通孔結構的開孔型透水模具。當水用量不足時，內部之間的孔隙不能相互貫通，不具有整體透水性。當水量足夠時，各個孔隙區域相互連通，形成通孔的透水材料。水用量大，相互連通的孔隙多，吸水率增加。親油性較強的乳化改性劑2制備的模具孔徑大，在較小的壓力下能顯示出較快的透水透氣性，呈現優異的透水透氣性能。

表3 乳化改性劑和水用量對模具吸水率和透水性的影響

3.6 SEM

圖5是成型模具的掃描電鏡SEM圖。由圖5清晰可見其開孔結構。

圖5 成型模具SEM圖

4 應用

在高壓注漿生產線上使用的模具（見圖6）成型工藝，與丙烯酸多孔樹脂模具一致，只是使用材料不同，可參考文獻[2]的方法。

特別提出，在寒冷的冬天，成型模具經常還需要進一步在40～60℃的環境中后固化，以保證模具有足夠的強度，提高模具使用壽命。

圖6 制造的大型模具圖片

5 結論

以環氧樹脂、改性固化劑、填料和水為主要組分制備的模具具有體積收縮小、孔徑小的特點，在高壓注漿生產線上有其獨特的優勢，但是與丙烯酸型模具相比，強度較低，使用壽命較短，有待下一步詳細研究。