CN102408677B - SiC/环氧树脂复合材料以及使用其制造泵构件的方法 - Google Patents

Abstract

一种SiC/环氧树脂复合材料，其原料组分及各组分重量百分比如下：SiC颗粒：75~85wt%；有机组分：15~25wt%；偶联剂：质量为所述有机组分的1.5~2.5%；所述SiC颗粒的粒径分布为：500~600μm占65~75wt%、100~150μm占20~30wt%、30~40μm占5~10wt%；所述有机组分由环氧树脂和固化剂组成，所述环氧树脂和固化剂的质量比为3:1；SiC/环氧树脂复合材料制造泵构件的方法，制备步骤如下：（1）加热真空搅拌；（2）压力浇铸；（3）真空振动成型；（4）加热固化。本发明工艺简单、成本低，制备得到的SiC/环氧树脂复合材料泵构件耐磨、耐腐蚀。

Description

SiC/环氧树脂复合材料以及使用其制造泵构件的方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其是涉及一种可用于制造泵构件的SiC和环氧树脂组成的复合材料。

背景技术

在电厂、矿山等条件下的使用的电机设备，如脱硫泵、渣浆泵、泥浆泵、浮选机及其它化工设备，不仅要承受固体粒子的冲蚀与磨损，而且要受电化学腐蚀和酸碱腐蚀。由于磨损大、腐蚀严重，电机等部件使用寿命短，运行成本高。

国内泵的过流部件设计和制造基本上采用金属材料，高铬铸铁难以抵抗高速粒子冲击，并且不耐腐蚀。不锈钢、高镍合金，甚至钛、锆、钽等金属材料虽提高了耐磨性能，但很容易产生电化学腐蚀，并且比重大，制造工艺复杂，运行成本高。有机合成高分子材料如工程塑料等，虽制备较方便，耐腐蚀性能也不错，但制备大型泵构件耐温性差，刚度不够，不能满足使用要求。刚玉陶瓷、SiC陶瓷已经用于制造砂浆泵的过流部件，也有很好的耐磨、耐腐蚀性能，但由于烧成变形大，制作工艺复杂，成品率低，价格也高，且只能制备尺寸较小的泵叶轮等，不能满足大型脱硫泵、渣浆泵的需要。

复合材料是由两种或两种以上不同性能材料组成的一种多相材料，既充分发挥各自材料的性能，又可以人为地针对不同工况条件进行材料的组成和性能的设计、控制和选用，由此突破单一材料设计和选用的局限性，从而大幅度提高低应力磨损条件下耐磨件的使用寿命。

以环氧树脂为基体的复合材料，具有良好的物理化学性能、耐冲蚀，并且制备工艺简单、成本低。为了提高环氧树脂材料的耐磨性和增加韧性，在环氧树脂中加入部分无机非金属材料已有许多报导，如纪秋龙等（复合材料学报，2004,21(6):14-20）研究了纳米碳化硅粒子填充环氧树脂复合材料的滑动干摩擦磨损特性，得出纳米碳化硅粒子能在很低的含量下（体积含量为0.2%时最优）提高环氧树脂耐磨性、并降低其摩擦系数。由于其使用的是纳米级的SiC，生产成本较高。

申请号为CN200810231902.0的专利文献公开了一种基于改性环氧树脂和SiC颗粒的耐磨涂层及制备方法，该耐磨涂层按质量百分比由30~40%的改性环氧树脂和60~70%的SiC颗粒组成，将改性环氧树脂和SiC颗粒混合均匀后涂覆于表面经过处理的钢表面，在室温下固化，在钢表面制得耐磨涂层。申请号为CN201010543698.3的专利文献公开了一种聚合物耐磨涂层材料，采用不同目数的碳化硅、各种刚玉和莫来石配比制备。这两篇对比文献的主要问题在于其制备的是涂层，而不是整体的零部件，涂层的质量要求是耐磨性好，而整体部件则需要有抗压性、抗折性，需要有一定硬度，并且成型后不变形。

申请号为CN90105962.5的专利文献公开了一种矿用泵、浮选机工作部件的制作方法，其原料中有碳化硅和环氧树脂，但是其需要在1500℃的高温下烧结才能得到具有一定硬度和强度的部件。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种SiC/环氧树脂复合材料及其泵构件的制备方法。本发明工艺简单、成本低，制备得到的SiC/环氧树脂复合材料泵构件耐磨、耐腐蚀。

本发明的技术方案如下：

一种SiC/环氧树脂复合材料，其原料组分及各组分重量百分比如下：

      SiC颗粒：75~85 wt%； 有机组分：15~25 wt%；偶联剂：质量为所述有机组分的1.5~2.5%；

所述SiC颗粒的粒径分布为：500~600μm占65~75wt%、100~150μm占20~30 wt%、30~40μm占5~10 wt%；

      所述有机组分由环氧树脂和固化剂组成，所述环氧树脂和固化剂的质量比为3:1。

所述环氧树脂为双酚A型、双酚S型、双酚F型环氧树脂中的一种；所述固化剂为环氧树脂固化剂；所述偶联剂为硅烷偶联剂。

SiC/环氧树脂复合材料制造泵构件的方法，制备步骤如下： 

（1）加热真空搅拌：将偶联剂与环氧树脂混合后，在加热的密闭容器中抽真空并且搅拌25~40min，加入SiC后继续抽真空，并且搅拌25~40min，所述加热温度为40~60℃，相对真空度小于–0.07MPa；

（2）压力浇铸：将上步骤得到的混合浆料经压力注入泵构件模具；

（3）真空振动成型：上步骤得到的注有混合浆料的泵构件模具放入40~60℃的密闭容器中，抽真空的同时进行振动成型；振动时间1~3h，密闭容器内相对真空度小于–0.05Mpa；

（4）加热固化：将上步骤经过真空振动成型后的泵构件带模坯体进行干燥，干燥温度为70~90℃，时间为3~5，干燥后将所述坯体脱模，然后将坯体放入电炉中加热固化，加热温度为80~160℃，时间为2~4h。

所述泵构件模具包括泵叶轮模具以及泵体模具。所述加热固化可以由室温固化代替，即将经过真空振动成型后的带模坯体在室温下进行干燥，干燥时间为20~28h，干燥后将所述坯体脱模，在室温下固化46~50h。 所述室温为25~26℃。

本发明有益的技术效果在于：

      1、本发明采用三种不同粒径、不同含量的SiC颗粒进行组合级配，大尺寸SiC颗粒使本复合材料具有更好的耐冲蚀磨损性能，小尺寸SiC颗粒使本复合材料颗粒之间能够紧密排列，体系的固相含量达75%以上。

2、本发明泵构件的制备步骤具有优异的技术效果：加热真空搅拌步骤，同时进行搅拌和抽真空，保证将浆料中的气泡去除，使得制成的制品致密无气孔；压力浇铸利用高位将浆料通过管道注入模具或者用压缩空气将浆料压入模具，确保了浆料填满模具，保证了制品致密度高；真空振动成型将浇铸好的模具放入真空容器内振动同时抽真空，排除浇铸过程中可能带入的气泡，保证制品致密无气孔；加热固化可以缩短固化时间，提高生产效率，本发明中常温自然固化也可以达到固化目的。经过以上各个步骤，有效排除了复合材料中的气孔，可一次成型高密度大型泵构件。

3、本发明相对于背景技术中提到的四篇对比文献及其它泵体材料，所需原材料成本低，也不需高温熔制和烧结，制作工艺简便经济，具有较高的耐磨、耐腐蚀特性和较长的使用寿命，在脱硫泵、渣浆泵等方面的应用有着十分显著的社会经济效益。

4、本发明中，在不影响产品质量的前提下，SiC也可以用氧化铝（刚玉）、二氧化锆、氧化镁、二氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化钨、碳化硼等代替。

具体实施方式

实施例1 

将SiC颗粒在350℃处理1h，在丙酮中超声波清洗30min，清水清洗，干燥烘干备用。

将环氧树脂、固化剂与偶联剂混合，在40℃的密闭容器中抽真空并且搅拌40min，加入SiC后继续真空下搅拌40min得到混合浆料，密闭容器内相对真空度小于–0.07MPa。

将混合浆料通过与模具1米的高度差经管道注入泵叶轮模具，将泵叶轮模具放入60℃的密闭容器中，抽真空的同时进行振动1 h，密闭容器内相对真空度小于–0.05Mpa。

将经过真空振动成型后的坯体在80℃干燥4 h后脱模，脱模后放入电炉中加热固化，加热温度为80℃，时间为2h，即可得到SiC/环氧树脂复合材料泵叶轮。

上述步骤中所用原料的种类及重量见表1所示。

实施例2

将SiC颗粒在350℃处理1h，在丙酮中超声波清洗30min，清水清洗，干燥烘干备用。

将环氧树脂、固化剂与偶联剂混合，在50℃的密闭容器中抽真空并且搅拌30min，加入SiC后继续真空下搅拌30min得到混合浆料，密闭容器内相对真空度小于–0.07MPa。

将混合浆料通过与模具1米的高度差经管道注入泵叶轮模具，将泵叶轮模具放入55℃的密闭容器中，抽真空的同时进行振动1.5 h，密闭容器内相对真空度小于–0.05Mpa。

将经过真空振动成型后的坯体在70℃干燥5 h后脱模，脱模后放入电炉中加热固化，加热温度为120℃，时间为4h，即可得到SiC/环氧树脂复合材料泵叶轮。

上述步骤中所用原料的种类及重量见表1所示。

实施例3

将SiC颗粒在350℃处理1h，在丙酮中超声波清洗30min，清水清洗，干燥烘干备用。

将环氧树脂、固化剂与偶联剂混合，在60℃的密闭容器中抽真空并且搅拌25min，加入SiC后继续真空下搅拌25min得到混合浆料，密闭容器内相对真空度小于–0.07MPa。

将混合浆料通过压缩空气压入泵体模具，将泵体模具放入50℃的密闭容器中，抽真空的同时进行振动2h，密闭容器内相对真空度小于–0.05Mpa。

将经过真空振动成型后的坯体在90℃干燥3 h后脱模，脱模后放入燃气加热烘房中加热固化，加热温度为160℃，时间为4h，即可得到SiC/环氧树脂复合材料泵体。

上述步骤中所用原料的种类及重量见表1所示。

实施例4

将SiC颗粒在350℃处理1h，在丙酮中超声波清洗30min，清水清洗，干燥烘干备用。

将环氧树脂、固化剂与偶联剂混合，在50℃的密闭容器中抽真空并且搅拌30min，加入SiC后继续真空下搅拌30min得到混合浆料，密闭容器内相对真空度小于–0.07MPa。

将混合浆料通过压缩空气压入泵体模具，将泵体模具放入45℃的密闭容器中，抽真空的同时进行振动2.5h，密闭容器内相对真空度小于–0.05Mpa。

将经过真空振动成型后的坯体在26℃室温下放置20h后脱模，脱模后在26℃室温放置46h，即可得到SiC/环氧树脂复合材料泵体。

上述步骤中所用原料的种类及重量见表1所示。

实施例5

将SiC颗粒在350℃处理1h，在丙酮中超声波清洗30min，清水清洗，干燥烘干备用。

将环氧树脂、固化剂与偶联剂混合，在50℃的密闭容器中抽真空并且搅拌30min，加入SiC后继续真空下搅拌30min得到混合浆料，密闭容器内相对真空度小于–0.07MPa。

将混合浆料通过压缩空气压入泵体模具，将泵体模具放入40℃的密闭容器中，抽真空的同时进行振动3h，密闭容器内相对真空度小于–0.05Mpa。

将经过真空振动成型后的坯体在25℃室温下放置28h后脱模，脱模后在25℃室温放置50h，即可得到SiC/环氧树脂复合材料泵体。

上述步骤中所用原料的种类及重量见表1所示。

表1

上表中，HTC9017为市售的双酚A型环氧树脂，E44为市售的双酚A型环氧树脂；HTC130为与9090。

 HTC9017环氧树脂配套使用的固化剂，苏州圣杰特种树脂有限公司生产；T31为市售的与E44环氧树脂配套使用的改性胺类环氧树脂固化剂；硅烷偶联剂KH-560的化学名称为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，硅烷偶联剂KH-550的化学名称为γ-氨丙基三乙氧基硅烷，均为市售。

Claims (5)

1.一种SiC/环氧树脂复合材料，其特征在于其原料组分及各组分重量百分比如下：

    SiC颗粒：75~85 wt%； 有机组分：15~25 wt%；偶联剂：质量为所述有机组分的1.5~2.5%；上述各原料组分的重量百分比相加为百分之百；

所述SiC颗粒的粒径分布为：500~600μm占65~75wt%、100~150μm占20~30 wt%、30~40μm占5~10 wt%；

    所述有机组分由环氧树脂和固化剂组成，所述环氧树脂和固化剂的质量比为3:1。

2.根据权利要求1所述的SiC/环氧树脂复合材料，其特征在于所述环氧树脂为双酚A型、双酚S型、双酚F型环氧树脂中的一种；所述固化剂为环氧树脂固化剂；所述偶联剂为硅烷偶联剂。

3.使用权利要求1所述的SiC/环氧树脂复合材料制造泵构件的方法，其特征在于制备步骤如下： 

（1）加热真空搅拌：将偶联剂与环氧树脂混合后，在加热的密闭容器中抽真空并且搅拌25~40min，加入SiC后继续抽真空，并且搅拌25~40min，所述加热温度为40~60℃，相对真空度小于–0.07MPa；

（2）压力浇铸：将上步骤得到的混合浆料经压力注入泵构件模具；

（3）真空振动成型：上步骤得到的注有混合浆料的泵构件模具放入40~60℃的密闭容器中，抽真空的同时进行振动成型；振动时间1~3h，密闭容器内相对真空度小于–0.05Mpa；

（4）加热固化：将上步骤经过真空振动成型后的泵构件带模坯体进行干燥，干燥温度为70~90℃，时间为3~5h，干燥后将所述坯体脱模，然后将坯体放入电炉中加热固化，加热温度为80~160℃，时间为2~4h。

4.根据权利要求3所述的SiC/环氧树脂复合材料制造泵构件的方法，其特征在于所述泵构件模具包括泵叶轮模具以及泵体模具。

5.根据权利要求3所述的SiC/环氧树脂复合材料制造泵构件的方法，其特征在于所述加热固化可以由室温固化代替，即将经过真空振动成型后的带模坯体在室温下进行干燥，干燥时间为20~28h，干燥后将所述坯体脱模，在室温下固化46~50h，所述室温为25~26℃。