铜纤维增强环氧树脂复合材料的制备和性能
摘 要摘 要钢厂连续生产带钢在热镀锌前，需要对带钢进行清洗处理，电解清洗则是带钢清洗的诸多方法中最有效、最常见的一种方法。国际上通常把电解清洗装置分为两种类型:电流密度在50A/dm2以下的称为普通电流密度电解清洗，电流密度在100～210A/dm2以上的称为高电流密度电解清洗。高电流密度电解清洗的电极板，需要长期浸泡在高温碱性溶液中，电极板通常采用Ni板，而电极板连接处的铜导电板的防腐蚀是关键问题。本课题根据鞍钢股份有限公司4号生产线目前使用的电极板的铜导电板，采用丁腈橡胶包袱方式提高高温碱液中的耐蚀性。根据实际工况条件，本文研究中提出纤维增强树脂基复合材料来代替橡胶包覆层的思路。采用环氧树脂中适当添加云母等增强颗粒的同时，采用玻璃纤维增强，制备包覆在铜电极表层的复合材料。详细研究制备工艺及性能。研究结果表明：在不同工艺下分别采用含有填料和不含填料的环氧树脂胶黏剂粘接铜/玻璃纤维复合材料。利用拉伸试验与剪切实验证明：使用不含填料的环氧树脂胶黏剂和对铜片进行喷砂处理，制作的复合电极性能最优。其粘接强度和剪切强度分别为17.70与21.84Mp。对制作出的最佳复合电极进行长时间高温碱性溶液浸泡实验，结果表明，复合电极无开裂现象，整体性能未受影响，该工艺下的复合电极耐蚀性与耐高温性适应电解清洗的要求。利用金相显微镜观察浸泡后玻璃纤维与铜粘接界面的变化，进一步证明该复合电极具有优良的耐高温与耐蚀性。关键词: 铜；铜/纤维环氧树脂；胶黏剂；耐蚀性；清洗电极 目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 金属的清洗方法 2
1.2.1 金属清洗的现状 2
1.2.2 电解清洗原理 3
1.3 电极板的腐蚀机理 4
1.4电极板腐蚀的影响因素 5
1.5铜/玻璃纤维复合材料的制备 7
第二章 实验材料与方法 8
2.1材料的选择及性能 8
2.1.1 铜 8
2.1.2 玻璃纤维 8
2.1.3 胶黏剂 9
2.2 实验仪器、设备与药品 10
2.3 复合电极的制备 11
2.3.1 铜板的制备与表面处理 11
2.
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.5铜/玻璃纤维复合材料的制备 7
第二章 实验材料与方法 8
2.1材料的选择及性能 8
2.1.1 铜 8
2.1.2 玻璃纤维 8
2.1.3 胶黏剂 9
2.2 实验仪器、设备与药品 10
2.3 复合电极的制备 11
2.3.1 铜板的制备与表面处理 11
2.3.2 玻璃纤维布的裁剪 11
2.3.3 玻璃纤维/铜粘结制备复合电极 11
2.3.5 铜板/玻璃纤维复合试样的剪切实验 12
2.3.5 铜板/玻璃纤维复合试样高温浸泡腐蚀试验 12
第三章 实验结果与讨论 13
3.1 实验内容 13
3.2 玻璃纤维与铜的粘接强度实验 13
3.2.1 实验内容与目的 13
3.2.2 粘接强度实验夹具的制作 13
3.2.3 玻璃纤维与铜的粘接强度实验方法 17
3.2.4 粘接强度实验结果分析与讨论 19
3.3玻璃纤维与铜的剪切强度实验 20
3.3.1实验内容与目的 20
3.3.2 剪切强度实验夹具的制作 20
3.3.3 玻璃纤维与铜的剪切强度实验方法 21
3.3.4 剪切强度实验结果分析与讨论 23
3.4 复合电极在强碱性高温溶液中腐蚀浸泡实验 24
3.4.1 实验内容与目的 24
3.4.2 复合电极高温浸泡实验方法 24
3.4.3 复合电极高温浸泡实验结果分析与讨论 26
3.5对浸泡前后复合电极的玻璃纤维与铜粘结界面变化的显微分析 28
3.5.1 粘结界面显微实验方法 28
3.5.2 试样腐蚀前后粘结面显微图像分析 28
结论 31
致谢 32
第一章 绪论
1.1 引言
钢铁工业在现代社会中越来越重要，它是国民经济和国家基础产业的重要基础。经济学家通常把钢产量或人均钢产量作为 衡量各国经济实力的一项重要指标。2014年全世界的粗钢的产量为16.62亿吨，同比增加1.2%，达到了历史最高纪录。我国粗钢产量为8.23亿吨，同比增长0.9%，占全球比重的49.7%。[1]随着全球工业化的发展，全球钢材市场需求量将继续增加，未来全球钢铁产量仍在持续增长。然而，钢铁因腐蚀造成了严重的危害与损失。据相关资料显示，每年大约世界上钢铁生产量百分之二十以上的设备和金属材料因腐蚀而报废，很多发达国家国民经济生产总值的2%4%的损失就是由于金属的腐蚀造成的。为了做好钢材防腐工作，人们想了很多办法，目前也有很多被广泛地运用，然而，对金属表面进行涂镀还是最有效以及最常见的一种方式。其中，镀锌是防止钢板发生腐蚀最经济，最有效，最广泛使用的方法。因为锌的标准电极电位比铁低，所以在易产生腐蚀的环境下，对钢材镀锌可以使锌起到牺牲阳极的作用，从而保护钢材。工业上常用热喷镀锌，机械镀锌，电镀锡等方式来进行镀锌，然而由于热镀锌钢板具有良好的耐腐蚀能力，外观美观，对环境污染小等特点，所以热镀锌技术是应用得最广泛的杜新技术。其中热镀锌约占镀 锌总量的95%。
本次毕业设计主要研究目的即为寻找适合的胶黏剂，以及如何通过正确的工艺得到一种耐长期连续碱液高温浸泡腐蚀的金属铜/玻璃纤维复合电极试样，使复合电极的使用寿命得到增强。
1.2 金属的清洗方法
1.2.1 金属清洗的现状
在清洗钢铁的油污作业时，通常我们使用的方法是用石油类有机溶剂来清洗。这种方法的清除效果很好。然而通过这种方法消耗的能源过高，对人体有害，对环境也有污染。所以，国外一直在研发其他类型的金属清洗剂。在发达国家，使用水基金属清洗剂和卤代烃类溶剂正逐渐取代以前的有机溶剂清洗。
现在使用的除油方法多为使用高温碱液来化学除油，即使用60到95摄氏度的高温碱液浸泡带钢[2]。在高温条件下进行电解清洗，可以加快皂化，提升除油效率；当把碱液的温度升到一定范围时，溶液的导电能力增强，电阻减小，除油的效率也能提升很多；当碱液温度升高的时候，附着在金属表面的油污粘性降低，油污脱落的难度也会减小。电解液的表面张力和导电性应该很优良，制作工艺对环境的影响也应该很小。碱液一般有含碱性成分和表面活性剂组成[3]。氢氧化钠，磷酸钠，硅酸钠，碳酸钠等是碱液的碱性成分，乳化剂，螯合剂，消泡剂，湿润剂是碱液的表面活性剂。
在钢材除油的时候，碱液和油污产生了皂化反应，生成了肥皂和甘油，这两者能很好的溶于水，也能溶解污垢。 [4]乳化作用，顾名思义，就是把两种本来不溶的液体乳化形成乳化液。在除油时，我们应向碱液中加入乳化剂，它可以促进乳化作用。乳化剂是一种分布不均匀的表面活化剂，它会分布在物体表面，通过使油污与界面的接触面积减小，使油污与溶液的接触面积增大，使油膜变成细小的液滴。
皂化反应的进行程度与氢氧化钠的含量有很大的联系，氢氧化钠的含量太多会使溶解度降低，太少又会反应的不够彻底。钢材是黑色金属，在其进行除油时保持其PH在1214之间比较好[5]。起缓冲作用的主要是碳酸钠和磷酸三钠，该化学过程的主要反应式如下：
（1）
（2）
硅酸钠的水溶性很好，当它作为乳化剂时，很不容易洗去。溶液中游离的硅酸钠会粘附在物体表面，造成剥离现象和镀层发暗。[6]。我们常用偏硅酸钠和正硅酸钠来进行除油作业，两者作用大概相同，偏硅酸钠的碱度稍低，都适用于各种金属的除油作业。
表面活性剂可以浸润油污层，使电解质的表面张力降低，以此来加快除油作业；表面活性剂还有使乳化加速的作用。一般来说除油液的碱性和温度都比较高，所以在选择表面活性剂时我们应
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 金属的清洗方法 2
1.2.1 金属清洗的现状 2
1.2.2 电解清洗原理 3
1.3 电极板的腐蚀机理 4
1.4电极板腐蚀的影响因素 5
1.5铜/玻璃纤维复合材料的制备 7
第二章 实验材料与方法 8
2.1材料的选择及性能 8
2.1.1 铜 8
2.1.2 玻璃纤维 8
2.1.3 胶黏剂 9
2.2 实验仪器、设备与药品 10
2.3 复合电极的制备 11
2.3.1 铜板的制备与表面处理 11
2.
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.5铜/玻璃纤维复合材料的制备 7
第二章 实验材料与方法 8
2.1材料的选择及性能 8
2.1.1 铜 8
2.1.2 玻璃纤维 8
2.1.3 胶黏剂 9
2.2 实验仪器、设备与药品 10
2.3 复合电极的制备 11
2.3.1 铜板的制备与表面处理 11
2.3.2 玻璃纤维布的裁剪 11
2.3.3 玻璃纤维/铜粘结制备复合电极 11
2.3.5 铜板/玻璃纤维复合试样的剪切实验 12
2.3.5 铜板/玻璃纤维复合试样高温浸泡腐蚀试验 12
第三章 实验结果与讨论 13
3.1 实验内容 13
3.2 玻璃纤维与铜的粘接强度实验 13
3.2.1 实验内容与目的 13
3.2.2 粘接强度实验夹具的制作 13
3.2.3 玻璃纤维与铜的粘接强度实验方法 17
3.2.4 粘接强度实验结果分析与讨论 19
3.3玻璃纤维与铜的剪切强度实验 20
3.3.1实验内容与目的 20
3.3.2 剪切强度实验夹具的制作 20
3.3.3 玻璃纤维与铜的剪切强度实验方法 21
3.3.4 剪切强度实验结果分析与讨论 23
3.4 复合电极在强碱性高温溶液中腐蚀浸泡实验 24
3.4.1 实验内容与目的 24
3.4.2 复合电极高温浸泡实验方法 24
3.4.3 复合电极高温浸泡实验结果分析与讨论 26
3.5对浸泡前后复合电极的玻璃纤维与铜粘结界面变化的显微分析 28
3.5.1 粘结界面显微实验方法 28
3.5.2 试样腐蚀前后粘结面显微图像分析 28
结论 31
致谢 32
第一章 绪论
1.1 引言
钢铁工业在现代社会中越来越重要，它是国民经济和国家基础产业的重要基础。经济学家通常把钢产量或人均钢产量作为 衡量各国经济实力的一项重要指标。2014年全世界的粗钢的产量为16.62亿吨，同比增加1.2%，达到了历史最高纪录。我国粗钢产量为8.23亿吨，同比增长0.9%，占全球比重的49.7%。[1]随着全球工业化的发展，全球钢材市场需求量将继续增加，未来全球钢铁产量仍在持续增长。然而，钢铁因腐蚀造成了严重的危害与损失。据相关资料显示，每年大约世界上钢铁生产量百分之二十以上的设备和金属材料因腐蚀而报废，很多发达国家国民经济生产总值的2%4%的损失就是由于金属的腐蚀造成的。为了做好钢材防腐工作，人们想了很多办法，目前也有很多被广泛地运用，然而，对金属表面进行涂镀还是最有效以及最常见的一种方式。其中，镀锌是防止钢板发生腐蚀最经济，最有效，最广泛使用的方法。因为锌的标准电极电位比铁低，所以在易产生腐蚀的环境下，对钢材镀锌可以使锌起到牺牲阳极的作用，从而保护钢材。工业上常用热喷镀锌，机械镀锌，电镀锡等方式来进行镀锌，然而由于热镀锌钢板具有良好的耐腐蚀能力，外观美观，对环境污染小等特点，所以热镀锌技术是应用得最广泛的杜新技术。其中热镀锌约占镀 锌总量的95%。
本次毕业设计主要研究目的即为寻找适合的胶黏剂，以及如何通过正确的工艺得到一种耐长期连续碱液高温浸泡腐蚀的金属铜/玻璃纤维复合电极试样，使复合电极的使用寿命得到增强。
1.2 金属的清洗方法
1.2.1 金属清洗的现状
在清洗钢铁的油污作业时，通常我们使用的方法是用石油类有机溶剂来清洗。这种方法的清除效果很好。然而通过这种方法消耗的能源过高，对人体有害，对环境也有污染。所以，国外一直在研发其他类型的金属清洗剂。在发达国家，使用水基金属清洗剂和卤代烃类溶剂正逐渐取代以前的有机溶剂清洗。
现在使用的除油方法多为使用高温碱液来化学除油，即使用60到95摄氏度的高温碱液浸泡带钢[2]。在高温条件下进行电解清洗，可以加快皂化，提升除油效率；当把碱液的温度升到一定范围时，溶液的导电能力增强，电阻减小，除油的效率也能提升很多；当碱液温度升高的时候，附着在金属表面的油污粘性降低，油污脱落的难度也会减小。电解液的表面张力和导电性应该很优良，制作工艺对环境的影响也应该很小。碱液一般有含碱性成分和表面活性剂组成[3]。氢氧化钠，磷酸钠，硅酸钠，碳酸钠等是碱液的碱性成分，乳化剂，螯合剂，消泡剂，湿润剂是碱液的表面活性剂。
在钢材除油的时候，碱液和油污产生了皂化反应，生成了肥皂和甘油，这两者能很好的溶于水，也能溶解污垢。 [4]乳化作用，顾名思义，就是把两种本来不溶的液体乳化形成乳化液。在除油时，我们应向碱液中加入乳化剂，它可以促进乳化作用。乳化剂是一种分布不均匀的表面活化剂，它会分布在物体表面，通过使油污与界面的接触面积减小，使油污与溶液的接触面积增大，使油膜变成细小的液滴。
皂化反应的进行程度与氢氧化钠的含量有很大的联系，氢氧化钠的含量太多会使溶解度降低，太少又会反应的不够彻底。钢材是黑色金属，在其进行除油时保持其PH在1214之间比较好[5]。起缓冲作用的主要是碳酸钠和磷酸三钠，该化学过程的主要反应式如下：
（1）
（2）
硅酸钠的水溶性很好，当它作为乳化剂时，很不容易洗去。溶液中游离的硅酸钠会粘附在物体表面，造成剥离现象和镀层发暗。[6]。我们常用偏硅酸钠和正硅酸钠来进行除油作业，两者作用大概相同，偏硅酸钠的碱度稍低，都适用于各种金属的除油作业。
表面活性剂可以浸润油污层，使电解质的表面张力降低，以此来加快除油作业；表面活性剂还有使乳化加速的作用。一般来说除油液的碱性和温度都比较高，所以在选择表面活性剂时我们应
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