CN117143436A - 一种环氧树脂组合物、碳纤维制品、叶轮及其制备方法和应用 - Google Patents

一种环氧树脂组合物、碳纤维制品、叶轮及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本申请涉及叶轮的技术领域，具体公开了一种环氧树脂组合物、碳纤维制品、叶轮及其制备方法和应用。本申请公开的环氧树脂材料包括以下组分：环氧树脂、固化剂、润湿分散剂、低收缩剂、外加剂；所述固化剂选自CYDHD‑220型固化剂、ARADUR14固化剂、ARADUR960‑1固化剂中的任意一种或多种；所述外加剂为重量比为8：（1‑3）的碳酸钙和硅酸钠。本申请采用上述环氧树脂组合物制备叶轮，同时采用了一次模压成型和金属连接件预埋的方案，使得叶轮整体结构更稳定，强度更高。另外，利用上述方法获得的叶轮具有较强的耐腐蚀性和耐磨性。

Description

一种环氧树脂组合物、碳纤维制品、叶轮及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及叶轮的技术领域，具体涉及一种环氧树脂组合物、碳纤维制品、叶轮及其制备方法和应用。
背景技术
在污水厂的运行当中，搅拌器起着推动和混合污水悬浮液的作用，具有强化均质的效果，可以防止污泥沉淀，是污水厂运行的重要保障。
叶轮是搅拌器的关键组成部件，现有的搅拌器叶轮多为不锈钢叶轮，具有如下缺陷：一是重量重，增加了叶轮制造安装、检修、运输的难度；二是抗磨损能力和耐腐蚀性差，而水下环境对耐腐蚀环境有较高要求，叶轮金属材质在长时间的水下工作环境下，叶轮容易破损，导致耐腐蚀能力下降；水下环境对于搅拌器的耐磨性能要求高，现有不锈钢材质长时间使用容易导致叶轮表层破坏，耐磨性能较难满足要求。
发明内容
为了提供一种重量更轻、抗磨损能力更强、耐腐蚀性更强的叶轮，本申请提供一种环氧树脂组合物、碳纤维制品、叶轮及其制备方法和应用。
第一方面，本申请提供了一种环氧树脂组合物，包括以下重量份的组分：95-105份环氧树脂、0.7-0.9份固化剂、0.1-0.3份润湿分散剂、18-21份低收缩剂、6-9份外加剂；
其中，所述固化剂选自CYDHD-220型固化剂、ARADUR14固化剂、ARADUR960-1固化剂中的任意一种或多种；
所述外加剂为重量比为8：（1-3）的碳酸钙和硅酸钠。
本申请以碳酸钙和硅酸钠作为外加剂，并利用环氧树脂原料加入特定重量份的固化剂、润湿分散剂、低收缩剂、外加剂来制备环氧树脂材料，进而获得了重量更轻、耐腐蚀性和耐磨性较强的叶轮。
优选地，所述固化剂为重量比为1：（0.3-0.5）的CYDHD-220型固化剂和ARADUR14固化剂。
在一个具体的实施方案中，所述CYDHD-220型固化剂和所述ARADUR14固化剂的重量比可以为1：0.3、1：0.4、1：0.5。
在一些具体的实施方案中，所述CYDHD-220型固化剂和所述ARADUR14固化剂的重量比还可以为1：（0.3-0.4）、1：（0.4-0.5）。
经过试验分析可知，本申请通过选择上述重量比的CYDHD-220型固化剂和ARADUR14固化剂作为环氧树脂材料中的固化剂，进一步提高了叶轮的防腐耐磨性。
优选地，所述碳酸钙的粒度为800-1000目。
经过试验分析可知，在制备环氧树脂材料的过程中，外加剂中碳酸钙的粒度对于叶轮的性能具有较大的影响，本申请通过选择上述粒度的碳酸钙与硅酸钠配合使用作为外加剂的原料，可以进一步提高叶轮的防腐性和耐磨性。
优选地，所述环氧树脂选自E44环氧树脂、E42环氧树脂、F51酚醛树脂中的任意一种或多种。
优选地，所述润湿分散剂为BYK-W 692。
优选地，所述低收缩剂选自聚乙烯、聚苯乙烯、聚酯、PVAc、PS、PMMA中的任意一种或多种。
本申请提供了上述环氧树脂组合物的制备方法，具体包括以下步骤：
按重量份计，向环氧树脂原料加入固化剂、润湿分散剂、低收缩剂、外加剂，常温下搅拌2-3h，得到所述环氧树脂组合物。
第二方面，本申请提供了一种碳纤维制品，包括碳纤维材料和上述环氧树脂组合物，所述碳纤维材料与所述环氧树脂组合物的重量比为（5.5-6.5）：（3.5-4.5）。
优选地，所述碳纤维材料与所述环氧树脂组合物的重量比为（5.8-6.2）：（3.7-4.3）。
优选地，所述碳纤维材料选自T600碳纤维材料、T700碳纤维材料、T800碳纤维材料中的任意一种。
进一步地，所述碳纤维材料为T700碳纤维材料。
申请人在试验过程中发现，选择上述规格的碳纤维材料，在保证叶轮耐磨性的基础上，可以提高叶轮的防腐性。
第三方面，本申请提供了上述碳纤维制品的制备方法，具体包括以下步骤：
将所述碳纤维材料与所述环氧树脂组合物混合均匀，经过模压，得到所述碳纤维制品；
所述模压的工艺条件为：温度160-180℃，压力45-55kg/cm2，保持时间30-50min。
优选地，所述模压的工艺条件为：温度160-180℃，压力47-53kg/cm2，保持时间30-50min。
第四方面，本申请提供了一种叶轮，利用上述碳纤维制品制备得到。
第五方面，本申请提供了上述叶轮的制备方法，具体包括以下步骤：
将所述碳纤维制品与金属连接件通过模压成型固化在聚氨酯发泡体上，即得所述叶轮；
所述模压成型具体为：
通过冷热一体模压，加压到15-20kg/cm2，温度逐渐升到160-180℃，然后保持温度不变使得材料固化；
加压到30-32kg/cm2，温度为160-180℃的条件下，保持100-120min后，冷却降温，同时降压到4-6kg/cm2，温度低于60℃时，脱模，即得所述叶轮。
本申请在制备叶轮的技术方案中，叶轮内部材质为特殊聚氨酯发泡材料，外部是高强度碳纤维结合环氧树脂材料，进而获得了重量较轻的叶轮，使得叶轮在制造安装、检修、运输过程中更加便捷。
叶轮的加工工艺中，相比于现有技术中叶轮分体式设计和螺栓连接结构的形式，本申请采用了一次模压成型形成一体连接的叶轮，并同时将金属连接件预埋于叶轮内部的方案，整体结构更稳定，强度更高。
优选地，所述聚氨酯发泡体的制备方法包括以下步骤：按重量份计，分别称取多元醇100份、异氰酸酯30-50份、水0.5-5份，泡沫稳定剂0.1-1.5份、催化剂0.1-2份、发泡剂0.1-2.5份混合均匀，常温下成型得到发泡体。
优选地，所述异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、多次甲基多苯基多异氰酸酯中的一种或多种；所述多元醇选自330B聚醚、4110聚醚、450M聚醚、DD-450L聚醚、YD-6205聚醚、KS-8326聚醚中的一种或多种；所述泡沫稳定剂为水溶性硅油；所述催化剂为三苯酚、二甲基苄胺、五甲基二乙烯三胺、三乙烯二胺中的一种或多种；所述发泡剂选自环戊烷、异戊烷、HCFC-141b、HFC-245fa、HFC-365mfc中的一种或多种。
第六方面，本申请提供了一种搅拌器，包括上述叶轮。
综上所述，本申请的技术方案具有以下效果：
相比现有技术中较常规的叶轮分体式设计、螺栓连接结构，本申请技术方案提供的叶轮采用一体成型，所制得的叶轮满足业内性能要求，叶片承受轴向载荷大于300kg，径向轴上扭矩不少于350Nm，最大1000Nm，且重量更轻，具有更好的耐腐蚀性和抗磨损性。
本申请技术方案中将叶轮材质进行了改进，改为内部采用特殊聚氨酯发泡材料，外部是高强度碳纤维，改进后，内部特殊聚氨酯发泡材料和外部高强度碳纤维均使得叶轮重量变轻，使得叶轮在制造安装、检修、运输过程中更加便捷。
本申请技术方案中采用的高强度碳纤维和环氧树脂材料相结合，使得叶轮抗磨损能力和耐腐蚀性增强，使得叶轮具有更长的使用寿命和更好的使用效果。
本申请技术方案中将叶轮制造工艺进行了改进，改为一次模压成型，内部放置金属预埋件，改进后，使得叶轮整体结构更稳定，强度更高，同时提升生产制造效率，使得叶轮具有更长的使用寿命和更短的生产周期。
附图说明
图1为本申请实施例1中叶轮的外形图。
图2为本申请实施例1中叶轮中连接三个扇叶的螺栓结构外形图。
图3为本申请实施例1中叶轮剖面结构的外形图，a表示发泡体材料填充层，b表示预埋的金属件，c表示碳纤维结构层。
具体实施方式
以下结合实施例、对比例以及性能检测试验对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例
实施例1-5
实施例1-5分别提供了一种叶轮。
上述实施例的不同之处在于：环氧树脂组合物中各原料组分的用量不同，具体如表1所示。
上述实施例中叶轮的制备方法具体为：
发泡体的制备：常温下，将330B聚醚多元醇100g，甲苯二异氰酸酯40g、水2g，水溶性硅油泡沫稳定剂1g、三苯酚催化剂0.5g、环戊烷发泡剂1.5g混合原料以液体形式通过混合头，注入到发泡模具中，常温下成型得到聚氨酯发泡体；发泡体的结构如图1所示，通过模具采用一次模压成型，将三个扇叶成型为一体。
S1：将E42环氧树脂原料加入固化剂（重量比为1：0.4的CYDHD-220型固化剂和ARADUR14固化剂混合组成）、润湿分散剂BYK-W 692、低收缩剂聚乙烯、外加剂（重量比为8：2的900目碳酸钙和硅酸钠混合组成），常温下搅拌2h，得到环氧树脂组合物。
S2：将T700的碳纤维材料与上述环氧树脂材料按照6：4的重量比混合均匀，通过模压机（模压的工艺条件为：温度170℃，压力50kg/cm2，保持时间40min）模压，得到厚度为2mm的试样；然后根据对应叶轮直径D=620mm，利用计算机计算所需尺寸，通过专用数控设备裁切出碳纤维制品碳纤维制品铺层。
S3：通过模具的精确定位，将如图2所示的金属连接件与碳纤维制品铺层同时固化在聚氨酯发泡体上，确保连接的牢靠，通过专用冷热一体模压设备，加压到18kg/c㎡，温度逐渐升到170℃，然后保持温度不变使得材料固化；
加压到31kg/cm2，温度为170℃的条件下，保持110min后，冷却降温，同时降压到5kg/cm2，温度低于60℃时，脱模，即得叶轮。
如图1所示，为本实施例中采用一次模压成型的叶轮的外形图；图2表示预埋的金属件结构；图2表示叶轮由原来的螺栓连接结构，改成金属件预埋；图3表示叶轮剖面结构的外形图，a表示发泡体材料填充层，b表示预埋的金属件，c表示碳纤维结构层。
表1 实施例1-5中环氧树脂组合物中各原料组分的用量
实施例6-10
实施例6-10分别提供了一种叶轮
上述实施例与实施例1的不同之处在于：环氧树脂组合物中固化剂的种类不同，具体如下所示：
实施例6中：固化剂为CYDHD-220型固化剂。
实施例7中：固化剂由重量比为1：0.4的CYDHD-220型固化剂和ARADUR960-1固化剂混合组成。
实施例8中：固化剂由重量比为1：0.2的CYDHD-220型固化剂和ARADUR14固化剂混合组成。
实施例9中：固化剂由重量比为1：0.3的CYDHD-220型固化剂和ARADUR14固化剂混合组成。
实施例10中：固化剂由重量比为1：0.6的CYDHD-220型固化剂和ARADUR14固化剂混合组成。
上述实施例中其余组分的种类和各组分原料的用量、叶轮的制备方法均与实施例1相同。
实施例11-16
实施例11-16分别提供了一种叶轮。
上述实施例与实施例1的不同之处在于：环氧树脂组合物中外加剂的组成不同，具体如下所示：
实施例11中：外加剂为重量比为8：1的900目碳酸钙和硅酸钠混合组成。
实施例12中：外加剂为重量比为8：3的900目碳酸钙和硅酸钠混合组成。
实施例13中：外加剂为重量比为8：2的700目碳酸钙和硅酸钠混合组成。
实施例14中：外加剂为重量比为8：2的800目碳酸钙和硅酸钠混合组成。
实施例15中：外加剂为重量比为8：2的1000目碳酸钙和硅酸钠混合组成。
实施例16中：外加剂为重量比为8：2的1200目碳酸钙和硅酸钠混合组成。
上述实施例中其余组分的种类和各组分原料的用量、叶轮的制备方法均与实施例1相同。
实施例17-18
实施例17-18分别提供了一种叶轮。
上述实施例与实施例1的不同之处在于：步骤S2不同，具体为：
实施例17中：步骤S2为：将T700的碳纤维材料与上述环氧树脂材料按照3.5：6.5的重量比混合均匀，通过模压机（模压的工艺条件为：温度170℃，压力45kg/cm2，保持时间40min）模压，得到厚度为2mm的试样；然后根据对应叶轮直径D=620mm，利用计算机计算所需尺寸，通过专用数控设备裁切出碳纤维制品碳纤维制品铺层。
实施例18中：步骤S2为：将T700的碳纤维材料与上述环氧树脂材料按照5.5：3.5的重量比混合均匀，通过模压机（模压的工艺条件为：温度170℃，压力55kg/cm2，保持时间40min）模压，得到厚度为2mm的试样；然后根据对应叶轮直径D=620mm，利用计算机计算所需尺寸，通过专用数控设备裁切出碳纤维制品碳纤维制品铺层。
上述实施例中其余组分的种类和各组分原料的用量、叶轮的制备方法均与实施例1相同。
对比例
对比例1-3
对比例1-3分别提供了一种叶轮。
上述对比例与实施例1的不同之处在于：环氧树脂材料中各原料组分的用量不同，具体如表2所示。
上述对比例中组分的种类、叶轮的制备方法均与实施例1相同。
表2 对比例1-3中环氧树脂材料中各原料组分的用量
对比例4-7
对比例4-7分别提供了一种叶轮。
上述对比例与实施例1的不同之处在于：外加剂的组成不同，具体为：
对比例4中：外加剂为1000目碳酸钙。
对比例5中：外加剂为硅酸钠。
对比例6中：外加剂为重量比为8：2的900目碳酸钙和硅酸镁混合组成。
对比例7中：外加剂为重量比为8：2的900目硫酸钙和硅酸钠混合组成。
上述对比例中其余组分的种类和各组分原料的用量、叶轮的制备方法均与实施例1相同。
性能检测试验
（1）力学性能
对本申请实施例1-18中制备的叶轮进行力学性能的测试，可得所制得的叶轮满足业内性能要求：即叶片承受轴向载荷大于300kg，径向轴上扭矩不少于350Nm，径向轴上扭矩最大高达1000Nm，表明本申请获得的叶轮具有较好的力学性能；且本申请制备的叶轮重量较轻，使得叶轮在制造安装、检修、运输过程中更加便捷。
（2）耐酸性能测试：以本申请实施例和对比例中制备的叶轮为待测试样，在温度为80℃下，将试样置于0.005mol/L的硫酸溶液中浸泡360h，计算试样测试前后的质量损耗量，评估试样的耐酸性能。
（3）耐碱性能测试：以本申请实施例和对比例中制备的叶轮为待测试样，在温度为80℃下，将试样置于0.01mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡360h，计算试样测试前后的质量损耗量，评估试样的耐碱性能。
（4）耐盐水性能测试：以本申请实施例和对比例中制备的叶轮为待测试样，在温度80℃以下，将试样置于质量浓度为3％的氯化钠溶液中浸泡720h，计算试样测试前后的质量损耗量，评估试样的耐盐水性能。
（5）耐磨性能：以本申请实施例和对比例中制备的叶轮为待测试样，参考GB/T1689-2014的测试方法，对试样的耐磨性能进行测试。
测试结果：如表3所示。
表3 实施例1-18与对比例1-7中叶轮的性能检测结果
结合表3的检测结果，利用本申请提供的制备方法，以重量比为8：（1-3）的碳酸钙和硅酸钠作为外加剂，并利用95-105份环氧树脂原料加入0.7-0.9份固化剂、0.1-0.3份润湿分散剂、18-21份低收缩剂、6-9份外加剂来制备环氧树脂材料，获得了耐腐蚀性和耐磨性较强的叶轮，使得叶轮具有更长的使用寿命和更好的使用效果。
通过对比实施例1-5与对比例1-3的检测结果，本申请环氧树脂材料中各组分的用量对于叶轮的性能具有较大的影响，本申请通过合理控制各组分原料的重量份，明显提高了叶轮的性能。
通过对比实施例1与实施例6-10的检测结果，在制备环氧树脂材料的过程中，本申请选择重量比为1：（0.3-0.5）的CYDHD-220型固化剂和ARADUR14固化剂作为固化剂，进一步提高了叶轮的耐腐蚀性和耐磨性。
通过对比实施例1、11-12与对比例4-7的检测结果，在制备环氧树脂材料的过程中，本申请选择重量比为8：（1-3）的碳酸钙和硅酸钠作为外加剂，明显提高了叶轮的耐腐蚀性和耐磨性。进一步地，通过对比实施例1、13-16的检测结果，本申请控制碳酸钙的粒度为800-1000目，进一步提高了叶轮的耐腐蚀性和耐磨性。
通过对比实施例1与实施例17-18的检测结果，在制备碳纤维制品的过程中，本申请将碳纤维材料与环氧树脂组合物按照（5.5-6.5）：（3.5-4.5）的重量比混合，并控制合适的模压工艺条件，进一步提高了叶轮的耐腐蚀性和耐磨性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种环氧树脂组合物，其特征在于，包括以下重量份的组分：95-105份环氧树脂、0.7-0.9份固化剂、0.1-0.3份润湿分散剂、18-21份低收缩剂、6-9份外加剂；
其中，所述固化剂选自CYDHD-220型固化剂、ARADUR14固化剂、ARADUR960-1固化剂中的任意一种或多种；
所述外加剂为重量比为8：（1-3）的碳酸钙和硅酸钠。
2.根据权利要求1所述的环氧树脂组合物，其特征在于，所述固化剂为重量比为1：（0.3-0.5）的CYDHD-220型固化剂和ARADUR14固化剂。
3.根据权利要求1所述的环氧树脂组合物，其特征在于，所述碳酸钙的粒度为800-1000目。
4.根据权利要求1所述的环氧树脂组合物，其特征在于，所述环氧树脂选自E44环氧树脂、E42环氧树脂、F51酚醛树脂中的任意一种或多种。
5.一种碳纤维制品，其特征在于，包括碳纤维材料和权利要求1-4任一项所述的环氧树脂组合物，所述碳纤维材料与所述环氧树脂组合物的重量比为（5.5-6.5）：（3.5-4.5）。
6.根据权利要求5所述的碳纤维制品，其特征在于，所述碳纤维材料选自T600碳纤维材料、T700碳纤维材料、T800碳纤维材料中的任意一种。
7.如权利要求5-6任一项所述碳纤维制品的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
将所述碳纤维材料与所述环氧树脂组合物重量比混合均匀，经过模压，得到所述碳纤维制品；
所述模压的工艺条件为：温度160-180℃，压力45-55kg/cm2，保持时间30-50min。
8.一种叶轮，其特征在于，利用权利要求5-6任一项所述的碳纤维制品制备得到。
9.如权利要求8所述叶轮的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
将所述碳纤维制品与金属连接件通过模压成型固化在聚氨酯发泡体上，即得所述叶轮；
所述模压成型具体为：
通过冷热一体模压，加压到15-20kg/cm2，温度逐渐升到160-180℃，然后保持温度不变使得材料固化；
加压到30-32kg/cm2，温度为160-180℃的条件下，保持100-120min后，冷却降温，同时降压到4-6kg/cm2，温度低于60℃时，脱模，即得所述叶轮。
10.一种搅拌器，其特征在于，包括权利要求8所述的叶轮。
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