环氧树脂固化物具有优良的机械性能、电气绝缘性能、耐热性、耐化学性等特点,因而广泛应用于各领域。但是,要求准确地计算配方各组分的理论比例和确定固化工艺周期,是不现实的,也是比较困难的,这是由于各种化学反应比较复杂的结果。因而如何解决这一矛盾,是摆在我们面前的一个严峻问题。
“正交试验法”在国外已得到广泛的应用,并在国民经济发展中起了重大作用。这个“正交试验法”就是研究与处理多种因素试验的一种科学方法。它的特点是能够在很多的试验条件中,选出代表性较强的少量几个条件,并能通过少量次数的试验,找到较好的试验条件,即最优或较优的方案。它保证了试验条件能够均衡地分散在配合完全的位级组合之中,因而代表性强,容易出现好条件,同时对于每列因素,在各个位级的结果之和中,其他因素各个位级的出现次数都是相同的。这保证了在各个位级的效果中,最大限度地排除了其他因素的干扰,因而能最有效地进行比较和展望。
为了在较短的时间内寻找理想的原材料配方以及工艺条件,我们试用了“正交试验法”。通过试验,也确实解决了船舶用产品所提出的苛刻条件。证明了“正交试验法”是行之有效的方法。
二、试验目的和方法
试验目的:
为解决船舶用环氧树脂全浇注变压器一40"C开裂的难题,希望环氧树脂固化物在韧性好的基础上,抗弯强度、抗冲强度、抗拉强度等综合指标越高越好。
试验方法:
考核指标:抗弯强度、抗冲强度和抗拉强度。其测试标准按中国科学院1970年10月1日颁布的塑料试验方法进行。
1、确定试验方案,分析试验结果。
A、挑因素、选位级,制定因素位级表
通过分析研究,我们认为需考查固化剂、增韧剂和填充料的用量,以及固化条件等四种因素。每个因素取四个位级,因素位级表见表1。固化剂:异构化甲基四氢苯酐(LHY-908)、增韧剂:反应型增韧剂(LDY-052)、填充料选择:偶联化硅微粉(HGH-600)。
在表1中,A、B、C的位级越高,其含量越大。D为不同的固化条件。
B、确定试验方案
表1 因素位级表
因 素 |
固化剂(A) |
增韧剂(B) |
填充料(C) |
固化条件(D) |
位级l |
A1 |
B1 |
Cl |
Dl |
位级2 |
A2 |
B2 |
C2 |
D2 |
位级3 |
A3 |
B3 |
C3 |
D3 |
位级4 |
A4 |
B4 |
C4 |
D4 |
表2中16号最多能安排5个4位级因素。现有4个因素,可用表2按排正交试验。
表2 正交试验表
因 素 列 号 试验号 |
固化剂 (A) |
增韧剂 (B) |
填充料 (C) |
固化条件 (D) |
抗冲强度 (KJ/m2) |
抗拉强度 (MPa) |
抗弯强度 (MPa) |
1 |
1(A1) |
2(B2) |
3(C3) |
3(D3) |
15.9 |
59.73 |
118.6 |
2 |
3(A3) |
4(B4) |
1(C1) |
2(D2) |
10.8 |
70.57 |
89.O |
3 |
2(A2) |
4 |
3 |
4(D4) |
14.8 |
60.00 |
120.6 |
4 |
4(A4) |
2 |
1 |
1(D1) |
11.9 |
49.20 |
96.3 |
5 |
1 |
3(B3) |
1 |
4 |
12.1 |
76.17 |
90.7 |
6 |
3 |
1(B1) |
3 |
1 |
LO.7 |
51.57 |
120.O |
7 |
2 |
1 |
l |
3 |
10.2 |
62.93 |
76.7 |
8 |
4 ’ |
3 |
3 |
2 |
12.3 |
56.80 |
102.7 |
9 |
1 |
1 |
4(C4) |
2 |
13.0 |
67.37 |
140.7 |
10 |
3 |
3 |
2(C2) |
3 |
16.2 |
59.37 |
104.3 |
11 |
2 |
3 |
4 |
1 |
13.5 |
71.33 |
139.O |
12 |
4 |
1 |
2 |
4 |
9.2 |
69.47 |
103.O |
13 |
l |
4 |
2 |
1 |
17.5 |
73.33 |
120.7 |
14 |
3 |
2 |
4 |
4 |
11.5 |
79.73 |
146.7 |
15 |
2 |
2 |
2 |
2 |
16.5 |
72.09 |
119.3 |
16 |
4 |
4 |
4 |
3 |
15.O |
77.97 |
112.7 |
位级1 |
抗冲强度58.5 |
43.O |
45 |
53.6 |
|
|
|
四次强度 |
抗拉强度276.6 |
251.33 |
2S8.88 |
245.43 |
|
|
|
之和 |
抗弯强度470.7 |
440.40 |
352.70 |
476.00 |
|
|
|
位级2 |
抗冲强度55.3 |
5S.9 |
59,4 |
52.7 |
|
|
|
四次强度 |
抗拉强度266.3 |
260.76 |
274.27 |
266.84 |
|
|
|
之和 |
抗弯强度455.6 |
480.9O |
447.30 |
451.70 |
|
|
|
位级3 |
抗冲强度49.2 |
54.3 |
53.7 |
57.3 |
|
|
|
四次强度 |
抗拉强度261.2 |
263.68 |
228.09 |
260.00 |
|
|
|
之和 |
抗弯强度460.0 |
436.70 |
461.90 |
412.30 |
|
|
|
位级4 |
抗冲强度48.4 |
58.1 |
53.O |
47.6 |
|
|
|
四次强度 |
抗拉强度253.4 |
281.87 |
296.40 |
285.37 |
|
|
|
之一和 |
抗弯强度414.70 |
443J00 |
539.10 |
461.OO |
|
|
|
级 差 |
抗冲强度10.1 |
15.1 |
14.4 |
9.7 |
|
|
|
|
抗拉强度23.19 |
30.53 |
68.31 |
2S.36 |
|
|
|
R=最大一最小 |
抗弯强度56.00 |
44.20 |
186.40 |
63.70 |
|
|
|
C、试验结果分析
根据表2正交表,将每次测试的抗冲强度、抗拉强度和抗弯强值分别记入相应的条件,从数值中分别找出最高值,再综合情况。寻找出较好的配方。
直接看:第14号试验A3、B2、C4D、4的抗冲强度是11.5KJ/m2;抗拉强度是79.7MPa/m2;抗弯强度则是146.7Mpa,综合总的情况,我们认为这次试验的结果最好。
算一算:
(1)对于各因素列,算出各个位级相应的四次强度之和,因为强度越高越好,由表2中可看出,在抗冲强度上AIB,C2D3为全配合中的可能好的配方,在抗拉强度上AtB4C,D4为全配合中的可能好的配方;而在抗变强度上则AtB,C,D。为全配合中的可能好的配方。
(2)计算各列的极差R:通过计算l~4列的抗冲强度极差分别为10.1KJ/m2;15.1KJ/m2;14.4KJ/m2;9.7KJ/m2。抗拉强度极差分别为23.19MPa;30.53MPa;68.31MPa;25.36MPa。而抗弯强度极差分别为56.0MPa;44.2MPa;186.4MPa;63.7MPa。因为极差大的因素通常意味着是重要因素,极差小的因素是不重要的因素,按其重要程度在抗冲强度上依次为增韧剂、填料、固化剂、固化条件。在抗拉强度上依次为填料、增韧剂、固化条件、固化剂。而在抗弯强度上依次为填料、固化条件、固化剂、增韧剂。
2、画趋势图
通过计算完极差后,对于数量性位级的四位级因素,画出量与试验结果之间的关系图,以便从图形上直接看出试验结果随各因素用量变化的大体关系。
固化剂增韧剂填料固化
3、第二批全系统试验
在第一批试验的基础上,为了解决“直接看”与“算一算”的结果不能统一的矛盾,进一步找出更优异的各因素量,我们又进行了第二批全系统试验。其方法是与“算一算”的好条件为主,参考“直接看”的好条件,决定挑出下面两个要考察的因素以及相应的位级,用来按排第二批正交表。
a)制定因素位级表
通过分析研究,我们认为需再次考查增韧荆用量和固化条件等两种因素。每个因素取三个位级,因素位级表见表3。
表3 因素级表
因 素 |
增韧剂(B) |
固化条件(D) |
位级l |
B1 |
Dl |
位级2 |
B2 |
D2 |
位级3 |
B3 |
D3 |
b)利用正交表确定试验方案
在表2,由(9号)最多能安排4个3位级因素,现有两个因素,可用表4安排正交试验。详见表4。
表4 正交试验表
试验计划 |
试验结果 | |||
因素 \列号 |
增韧剂 |
固化条件 |
抗拉强度 |
抗弯强度 |
\试验号 |
(B) |
(D) |
(MPa) |
(MPa) |
1 |
1(B1) |
1(D1) |
65.33 |
120.67 |
2 |
2(B2) |
1 |
63.91 |
133.33 |
3 |
3(B3) |
l |
71.11 |
116.67 |
4 |
1 |
2(D2) |
60.36 |
111.33 |
5 |
2 |
2 |
55.9l |
101.33 |
6 |
3 |
2 |
71.91 |
108.67 |
7 |
1 |
3(D3) |
50.58 |
102.67 |
8 |
2 |
3 |
69.60 |
115.33 |
9 |
3 |
3 |
72.00 |
102.00 |
位级1 |
抗拉强度176.2 |
200.36 |
|
|
三次强度之和 |
抗弯强度370.6 |
370.67 |
|
|
位级2 |
抗拉强度189.4 |
188.18 |
|
|
三次强度之和 |
抗弯强度349.9 |
321.33 |
|
|
位级3 |
抗拉强度215.0 |
192.18 |
|
|
三次强度之和 |
抗弯强度327.3 |
320.OO |
|
|
极 差 |
抗拉强度38.76 |
12.18 |
|
|
R=最大一最小 |
抗弯强度43.33 |
50.67 |
|
|
c)试验结果分析
通过全系统试验的结果与“直接看”的结果相比较,还是第一批试验中“直接看”的数值比较理想,因此我们决定选用“直接看”中的第14号试验的配方进行实物灌封实验,验证其是否能达到产品在-40℃下。
三、实物试验
(1)实物环氧树脂浇注部件:耐压10KV和35KV的脉冲变压器。
(2)我们用第14号配方以及“正交表”中其他几种较好数值的配方进行了真空全浇注密封试验。
(3)例行试验情况:按电子工业部颁布的“电子设备用电源变压器和滤波阻流圈总技术条件SJ297-78第22条进行-40℃低温下冷冻贮存试验,并经X光探伤仪探伤,证明只有14号配方没有开裂现象,其他配方均有大小程度不等的裂纹。
四、结论
(1)通过正交试验法,在较短的时间内确定了耐冷冻抗开裂环氧树脂浇注料的最佳配方。
五、参考配方
由于工业化生产的各种材料,虽然每批指标都能达到标准范围,但每批材料的特性还是有所不同。我们这里所列的配方是经过一年多的试验,得出的比较理想的配比范围,供参考。
E-39-D 环氧树脂 100 份(量份)
甲基四氢苯酐 65 份
反应型增韧剂 15 份
偶联化剂处理硅微粉 250~300 份
固化条件: 100℃/2小时+130 ℃/7小时+140 ℃/3小时。