劉華，茆凌峰，錢(qián)建華，黃志超，劉世強(qiáng)

(1. 華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司，上海200237；2. 上海防腐蝕新材料工程技術(shù)研究中心，上海200237)

碳納米管對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂及其FRP性能的影響

劉華1，2，茆凌峰1，2，錢(qián)建華1，2，黃志超1，2，劉世強(qiáng)1，2

(1. 華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司，上海200237；2. 上海防腐蝕新材料工程技術(shù)研究中心，上海200237)

研究了在環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂中添加不同數(shù)量的碳納米管(CNT)后對(duì)液體樹(shù)脂粘度及固化性能的影響，對(duì)澆注體的電性能、機(jī)械性能和熱性能的影響。結(jié)果表明，CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂有明顯的增稠作用，對(duì)樹(shù)脂的固化有明顯的阻聚作用，延長(zhǎng)了樹(shù)脂的凝膠和固化，降低了樹(shù)脂的固化度和放熱峰；使得樹(shù)脂澆注體的強(qiáng)度降低模量增加，對(duì)樹(shù)脂的熱變形溫度基本沒(méi)有影響，但對(duì)其FRP材料卻有明顯的增強(qiáng)效果，加入CNT后FRP的彎曲、壓縮和沖擊強(qiáng)度有明顯的提升。

碳納米管；阻燃乙烯基酯樹(shù)脂；FRP；電性能；機(jī)械性能

0 前言

電除霧器(WPS)具有利用電場(chǎng)捕集煙氣中霧滴和粉塵的強(qiáng)大功能，是凈化流體阻力最小的氣液分離濕法設(shè)備，可用于燃煤發(fā)電、冶煉煙氣制酸、鈦白粉煅燒尾氣處理、化工廠各類(lèi)煙氣和酸霧處理。WPS在石化、冶金等已經(jīng)有30多年的使用歷史，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前玻璃鋼電除霧器以其優(yōu)異的耐腐蝕性能，高效的除霧效果，超長(zhǎng)的使用壽命和較低的維護(hù)成本，使其在運(yùn)行工程中可以去除燃煤煙氣中80%以上的PM2.5和PM10顆粒物，能有效改善環(huán)境，從而得到大量應(yīng)用[1]。

玻璃鋼電除霧器有4個(gè)主要的要求：(1)優(yōu)良的耐腐性能；(2)高效的阻燃性能(氧指數(shù)高≥32)；(3)優(yōu)異的耐熱性能；(4)高效的導(dǎo)電性能(表面電阻率<103)[2]。前3個(gè)要求使得溴化阻燃型環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂成為了制作玻璃鋼電除霧器的最優(yōu)選擇。但樹(shù)脂材料通常是絕緣材料，不具備導(dǎo)電性，為了提高樹(shù)脂的導(dǎo)電性能，我們通常采用添加石墨、炭黑或者金屬顆粒的導(dǎo)電方式，目前已經(jīng)在工業(yè)上大批量應(yīng)用的是采用添加石墨和炭黑的方法來(lái)提高樹(shù)脂的導(dǎo)電性能[3]。

但石墨和炭黑具有吸油度高、阻聚嚴(yán)重、導(dǎo)電效率低等問(wèn)題。為了達(dá)到所要求的導(dǎo)電性能，必須添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%以上的石墨或者炭黑，而石墨或炭黑對(duì)樹(shù)脂有明顯的增稠和阻聚作用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大樹(shù)脂的粘度越高、固化越不完善，導(dǎo)致樹(shù)脂工藝性能差，固化度低，并能進(jìn)一步影響玻璃鋼的強(qiáng)度的阻燃性能[4-5]。

碳納米管(CNT)是由單層或多層類(lèi)石墨片卷曲而形成的無(wú)縫納米管，兩端通常為半球形的大富勒烯分子封住，CNT中碳原子是以SP2雜化形成的C=C雙鍵相互連接在一起，而C=C雙鍵鍵長(zhǎng)短、鍵能大，是自然界中比較穩(wěn)定的化學(xué)鍵，所以CNT具有很高的軸向強(qiáng)度、韌性和彈性模量。CNT的拉伸強(qiáng)度達(dá)50～200 GPa，是鋼的100倍，而其密度卻只有鋼的1/6。由于碳原子間是SP2雜化，每個(gè)碳原子有一個(gè)未成對(duì)電子位于垂直于片層的π軌道上，所以碳納米管具有良好的導(dǎo)電性。達(dá)到同樣的導(dǎo)電性能，CNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般只有石墨粉的10%左右，從而能有效的減少填料對(duì)樹(shù)脂固化性能、工藝性能及力學(xué)性能的影響[6-8]。

由于CNT優(yōu)異的導(dǎo)電性及其增強(qiáng)效果，本文研究了在溴化雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂MFE 27中添加少量的CNT后對(duì)樹(shù)脂工藝性能的影響如液體樹(shù)脂粘度、凝膠時(shí)間、放熱峰等，并進(jìn)一步考察了對(duì)樹(shù)脂澆注體的電性能、機(jī)械性能和耐熱性能以及玻璃鋼力學(xué)性能的影響。CNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只需石墨粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%左右即可達(dá)到同等的導(dǎo)電效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

溴化雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂MFE 27，華東理工大學(xué)華昌公司；

多壁碳納米管(CNT)，北京博宇高科技新材料技術(shù)有限公司，型號(hào)：TNIM3，直徑：10～20 nm；

促進(jìn)劑，市售辛酸鈷液P001(Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%)；

固化劑，過(guò)氧化甲乙酮(阿克蘇諾貝爾M50)。

1.2 液體樹(shù)脂性能的測(cè)定

1.2.1 樹(shù)脂粘度的測(cè)定

根據(jù)GB/T 7193-2008，采用上海天平儀器廠的NDJ-7型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行粘度測(cè)定。

1.2.2 凝膠時(shí)間的測(cè)定

根據(jù)GB/T 7193-2008，采用德國(guó)TESTO凝膠計(jì)時(shí)器進(jìn)行凝膠時(shí)間的測(cè)定。

1.3 樹(shù)脂澆注體性能的檢測(cè)

1.3.1 樹(shù)脂澆注體力學(xué)性能的測(cè)定

根據(jù)GB/T 2567-2008，采用美國(guó)Instron萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樹(shù)脂澆注體的力學(xué)性能。

1.3.2 樹(shù)脂澆注體電性能測(cè)定

根據(jù)GB/T 1410-2006，測(cè)試樹(shù)脂澆注體的表面電阻率。

1.4 樹(shù)脂澆注體的制備

取定量的乙烯基酯樹(shù)脂(約500 g)，加入石墨粉后用高速攪拌器攪拌均勻(分散10 min左右)，然后加入促進(jìn)劑并攪拌均勻，最后加入固化劑攪拌均勻，并在真空烘箱中脫泡3 min。脫泡后將樹(shù)脂倒入由2塊平板玻璃和4 mm厚硅膠條組成的U型模具中，并在室溫放置24 h，24 h后脫模然后用雕刻機(jī)制成測(cè)試所需的樣條。

2 結(jié)果與討論

2.1 CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂粘度的影響

一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)镃NT的尺寸比較小，所以本身的比表面積大且具有一定的吸油度，加入樹(shù)脂后具有明顯的團(tuán)聚作用和增稠作用。但此次試驗(yàn)我們選用的CNT是經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑表面改性，并通過(guò)三輥機(jī)均勻的分散在樹(shù)脂基體中，所以樹(shù)脂的粘度增加并不多。表1為添加不同量的CNT后樹(shù)脂粘度的變化。

表1 CNT對(duì)MFE 27樹(shù)脂粘度的影響

CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%00 51 01 52 0MFE27粘度/mPa·s350380380390390

注：粘度為25 ℃下的NDJ-79旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)的。

2.2 CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂固化性能的影響

CNT是由單層或多層類(lèi)石墨片卷曲而形成的無(wú)縫納米管，所以其元素組成及表面的基團(tuán)與石墨一樣如表2所示，氫元素、氧元素在CNT表面主要以羧基、酚羥基、內(nèi)酯基、醌型含氧基以及芳環(huán)上的氫的形式存在。

表2 石墨的元素組成 %

從圖1可以看出，CNT和石墨/炭黑一樣表面具有大稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)，而芳香族稠環(huán)化合物具有一種特殊的性能，就是其極強(qiáng)的自由基捕捉能力[15]，如圖2所示。

由于CNT大稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)極強(qiáng)的自由基捕捉能力，使其成為許多活性中心的抑制劑，尤其是其表面醌型含氧基的存在，對(duì)乙烯基單體聚合反應(yīng)起到阻聚或緩聚作用，它能吸收過(guò)氧化物分解出的活性自由基及其引發(fā)的聚合物自由基，生產(chǎn)更穩(wěn)定的低活性化合物，阻止乙烯基單體的鏈增長(zhǎng)，使樹(shù)脂在聚合過(guò)程中形成大量的小分子，尤其在接觸空氣的表面阻聚作用更明顯，使樹(shù)脂固化不完全，導(dǎo)致發(fā)粘現(xiàn)象的發(fā)生[9-11]。

如表3中數(shù)據(jù)所示，CNT對(duì)MFE 27有明顯的阻聚作用，隨著CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，樹(shù)脂的凝膠時(shí)間(GT)變長(zhǎng)，固化時(shí)間(Δt)延長(zhǎng)，放熱峰(PEAK)降低。但CNT對(duì)Δt的影響比GT更大，當(dāng)過(guò)氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少時(shí)，CNT對(duì)樹(shù)脂的阻聚作用更明顯。CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，固化劑M50添加量為2%時(shí)，MFE 27的GT延長(zhǎng)了將近0.5倍，而Δt延長(zhǎng)了1.5倍。CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，固化劑M50添加量為1.5%時(shí)，MFE27的GT延長(zhǎng)了將近0.6倍，而Δt延長(zhǎng)了5.5倍。

圖3至圖6直觀地反應(yīng)了CNT對(duì)MFE 27樹(shù)脂的阻聚作用，CNT對(duì)Δt的影響比GT更大，當(dāng)過(guò)氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少時(shí)，CNT對(duì)樹(shù)脂的阻聚作用更明顯。一般M50有三大活性成分：過(guò)氧化氫(H2O2只影響凝膠時(shí)間，釋放電子，產(chǎn)生水和氧氣)，MEKP單體(結(jié)束凝膠時(shí)間并開(kāi)始固化)，MEKP二聚體(完成固化)。而CNT對(duì)能產(chǎn)生過(guò)氧自由基及其引發(fā)的初始聚合物自由基有更高的捕捉能力，所以表現(xiàn)為對(duì)樹(shù)脂的Δt影響更大，當(dāng)固化劑減少時(shí)，MEKP單體和MEKP二聚體減少，對(duì)Δt阻聚作用成倍增加。

表3 CNT對(duì)MFE 27樹(shù)脂固化性能的影響

CNT加量/%00．501．001．502．001%P0012．0%M50凝膠時(shí)間22′45″26′20″27′55″30′04″32′21″固化時(shí)間30′45″32′46″47′31″53′24″74′44″放熱峰146．5139．3136．9135．3133．91%P0011．5%M50凝膠時(shí)間36′33″41′22″46′27″52′53″57′08″固化時(shí)間55′06″68′14″103′43″180′35″303′放熱峰131．4125．6120．19973．1

注：1% P001和2% M50為樹(shù)脂質(zhì)量1%的促進(jìn)劑P001和樹(shù)脂質(zhì)量2%的固化劑M50。

2.3 CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂力學(xué)性能的影響

由表4可知，MFE 27樹(shù)脂復(fù)合CNT后其脆性增加，樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均有所下降；樹(shù)脂的模量隨著CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而相對(duì)穩(wěn)定增加；樹(shù)脂的沖擊強(qiáng)度隨著石墨粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加快速降低，這是因?yàn)楫?dāng)石墨粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)多時(shí)，使得樹(shù)脂的脆性增加，同時(shí)在分散過(guò)程中在樹(shù)脂體系內(nèi)帶入的氣泡和缺陷增多，使得樹(shù)脂的抗沖擊強(qiáng)度急劇降低。

表4 CNT對(duì)MFE 27樹(shù)脂力學(xué)性能的影響

CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%00 501 001 502 00拉伸強(qiáng)度/MPa81 5475 8374 3372 667 64拉伸模量/MPa3 33 94 34 384 23拉伸應(yīng)變/%4 543 793 533 962 96彎曲強(qiáng)度/MPa132 66118 08113 83115 46106 68彎曲模量/MPa3 43 833 873 753 78沖擊強(qiáng)度/kJ·m-221 9911 6617 7213 910 74

2.4 CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂硬度和耐熱性能的影響

由表5中數(shù)據(jù)可知，MFE 27樹(shù)脂復(fù)合CNT后其HDT略有升高；而樹(shù)脂澆注體的巴氏硬度隨著石墨粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而不斷增加。這主要是因?yàn)镃NT的硬度比較高，所以當(dāng)CNT復(fù)合進(jìn)樹(shù)脂后使得樹(shù)脂的硬度升高了。

表5 CNT對(duì)MFE 27熱變形溫度和巴氏硬度的影響

CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%00 501 001 502 00熱變形溫度/℃91 895 796 294 893 4巴氏硬度/HBa4546485053

2.5 CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂電性能的影響

表6為不同石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)MFE 27樹(shù)脂表面電阻的影響。從表8可知，一般的乙烯基酯樹(shù)脂澆注體的表面電阻在1014～1015Ω左右，當(dāng)石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%時(shí)樹(shù)脂的電阻率降低比較快，當(dāng)石墨粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%～20%時(shí)樹(shù)脂的表面電阻降低到109～107Ω。作為分散的導(dǎo)電材料要求石墨的粒徑越小越好，形成的導(dǎo)電連鎖結(jié)構(gòu)越強(qiáng)。但石墨粉的粒徑變小質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加后會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂體系的粘度增加(工藝性能變差)、固化度降低和強(qiáng)度降低等不利影響。同時(shí)為了達(dá)到電極管要求的103以下的表面電阻率，通常制作廠家會(huì)在電極管內(nèi)表面加一層導(dǎo)電碳?xì)只蛱疾紒?lái)增加玻璃鋼電極管的導(dǎo)電性，這樣就可以減少石墨粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使得樹(shù)脂體系獲得最佳的綜合性能[12-14]。

表6 CNT對(duì)MFE 27澆注體表面電阻率的影響

CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%表面電阻率/Ω01014～10150 53 98×1061 03 8×1051 51 8×1052 01 7×105

普通的乙烯基酯樹(shù)脂澆鑄體的表面電阻率在1015左右，而我們的復(fù)合CNT的MFE 27系列阻燃乙烯基酯樹(shù)脂的表面電阻率降低到105，有效的增加樹(shù)脂的導(dǎo)電性，與石墨粉/炭黑相比，達(dá)到相同的導(dǎo)電性，CNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只需要石墨/炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%，減少填料了對(duì)樹(shù)脂強(qiáng)度的影響，并能簡(jiǎn)化施工工藝。

表7 CNT對(duì)MFE 27介電常數(shù)、體積電阻率及介電損耗角正切的影響

CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%00 501 001 502 0介電常數(shù)/F·m-13 166 9728 750 663 6體積電阻率/Ω·cm3 23×10755 4×1047 98×1046 22×1045 43×104介電損耗角正切1 81×10-256 70×10-115 00×10-17 63×10-13 35×10-1

介電常數(shù)越小，則材料的電導(dǎo)率越小，體積電阻率越高。如表7所示，隨著CNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，樹(shù)脂的導(dǎo)電性增加，樹(shù)脂的節(jié)點(diǎn)常數(shù)變大，體積電阻率急劇降低。

2.6 CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂F(xiàn)RP力學(xué)性能的影響

MFE 27樹(shù)脂復(fù)合CNT后其FRP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化不大，彎曲強(qiáng)度提高10%～15%，壓縮強(qiáng)度提高15%～25%，沖擊強(qiáng)度提高10%～20%。從表8中數(shù)據(jù)可以看出碳納米管的增強(qiáng)效果比較明顯。

表8 CNT對(duì)MFE 27的FRP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%00 501 001 502 00拉伸強(qiáng)度/MPa122 63128 34121 68122 5127 16彎曲強(qiáng)度/MPa218 40228 40239 72237 94246 18壓縮強(qiáng)度/MPa188 86225 59221 52218 87237 3沖擊強(qiáng)度/kJ·m-270 4777 4783 1782 7983 76

注：MFE 27的FRP復(fù)合材料均采用手糊工藝和3層450 g/m2短切氈的鋪層結(jié)構(gòu)制作而成，其含膠量約為70%。

3 結(jié)論

(1) CNT的加入能有效提高質(zhì)量分?jǐn)?shù)MFE 27阻燃乙烯基酯樹(shù)脂的導(dǎo)電性能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的CNT就可以使樹(shù)脂的表面電阻率從1015降低到105，在達(dá)到同等導(dǎo)電性能的前提條件下，石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)需要20%，所以CNT只需石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%即可達(dá)到同樣的導(dǎo)電效果，CNT的導(dǎo)電效率更高。

(2) CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂有增稠作用，但CNT在2%的添加量以?xún)?nèi)對(duì)樹(shù)脂增稠作用較小，使得樹(shù)脂的工藝性能比加入石墨/炭黑要更好。

(3) CNT對(duì)阻燃乙烯基酯樹(shù)脂有明顯的阻聚作用，其大稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)極強(qiáng)的自由基捕捉能力，使其成為許多活性中心的抑制劑，它能吸收過(guò)氧化物分解出的活性自由基及其引發(fā)的聚合物自由基，生產(chǎn)更穩(wěn)定的低活性化合物，阻止乙烯基單體的鏈增長(zhǎng)，使樹(shù)脂在聚合過(guò)程中形成大量的小分子，尤其在接觸空氣的表面阻聚作用更明顯，使樹(shù)脂固化不完全，導(dǎo)致發(fā)粘現(xiàn)象的發(fā)生。

(4) MFE 27樹(shù)脂復(fù)合CNT后樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度降低，樹(shù)脂模量隨著石墨粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而相對(duì)穩(wěn)定增加。MFE 27樹(shù)脂復(fù)合CNT后其FRP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化不大，彎曲強(qiáng)度提高10%～15%，壓縮強(qiáng)度提高15%～25%，沖擊強(qiáng)度提高10%～20%。CNT對(duì)MFE 27的FRP復(fù)合材料有明顯的增強(qiáng)效果。

(5) MFE 27樹(shù)脂復(fù)合CNT后其HDT略有升高，而樹(shù)脂澆注體的巴氏硬度隨著石墨粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而不斷增加。

本文中，在MFE 27阻燃乙烯基酯樹(shù)脂中加入極少量的CNT就能大大降低電阻率。雖然暫時(shí)未對(duì)玻璃鋼進(jìn)行試驗(yàn)，但是可以想見(jiàn)，在玻璃鋼中加入CNT也將大大降低玻璃鋼的電阻率，進(jìn)而滿足實(shí)際需求。

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Effects of Carbon Nanotubes on Properties of Flame-Retardant Vinyl Ester Resin and FRP

Liu Hua1，2，Mao Lingfeng1，2，Qian Jianhua1，2，Huang Zhichao1，2，Liu Shiqiang1，2

(1. Sino Polymer Co.，Ltd，Shanghai 200237；2. Shanghai Anti-corrosion New Materials Engineering Center，Shanghai 200237)

The effects of adding different amount of carbon nanotubes(CNT)in epoxy vinyl ester resin on the viscosity and curing performance of liquid resin and on the electrical，mechanical and thermal properties of resin cast were investigated.The results showed that CNT significantly thickened flame-retardant vinyl ester resin，inhibited the polymerization for resin curing and prolonged the gelling and curing of resin and lowered the curing degree and exothermic peak，and that CNT decreased the strength but increased the modulus of the resin and had no influence on the heat deformation temperature of the resin on the whole，while providing significant reinforcement for FRP，with the flexural，compressive and impact strength distinctly increased after the addition of CNT.

carbon nanotube；flame-retardant vinyl ester resin；FRP；electrical property；mechanical property

TQ171.77+7.77

A

2016-11-01

劉華，男，1985年生，工程師。主要從事高性能樹(shù)脂、阻燃樹(shù)脂方面的研究。

修回日期：2016-11-13