引言
環氧樹脂由于其介電性、粘接性、耐溶劑性、耐熱性優良,被廣泛應用于膠粘劑行業中,然而由于其性脆,不夠強韌,耐候性(詞條“耐候性”由行業大百科提供)差等阻礙著其市場的擴大。尤其是現在汽車、航空、以及電子電器等領域的迅速發展,對金屬膠(詞條“金屬膠”由行業大百科提供)粘劑的影響很大[1~3]。所以,金屬高粘接強度膠粘劑的研制成為重要課題,金屬高粘接強度膠粘劑要求膠粘劑與金屬之間形成很大的表面張力,有較高的粘接力以及較小的收縮力,膠粘劑本身固化后可以產生高剪切力與低內應力,才可有效粘接金屬[4~6]。
本研究以雙酚A 型環氧樹脂(EP)為基體樹脂,雙氰胺(DCA)為固化劑,咪唑為固化促進劑,烯丙基縮水甘油醚(AGE)為活性稀釋劑,并加入聚氨酯(PU)熱熔膠,有望制備出綜合性能優異的金屬高粘接強度的膠粘劑。
1. 實驗部分
1.1 原材料
雙酚A 型環氧樹脂(GELR128):工業品,臺灣南亞公司;烯丙基縮水甘油醚(AGE):工業品,上海精細化工(詞條“精細化工”由行業大百科提供)研究所;雙氰胺(DCA):工業品CVC 公司;咪唑:工業品,德國巴斯夫公司;聚氨酯(PU)熱熔膠:工業品,東莞宏德化學工業有限公司。
1.2 儀器設備
WQF-310 傅里葉變換紅外光譜儀,北京第二光學儀器廠;DRL-2 萬能拉伸試驗機,湘潭湘儀儀器有限公司;熱老化試驗箱,常州市國立試驗設備研究所;XJJ-50 擺錘式沖擊試樣機,中實檢測設備有限公司。
1.3 金屬高粘接強度膠粘劑的制備
按配方將準確稱量的EP、PU 熱熔膠顆粒置于95 ℃的水浴鍋中熔融攪拌均勻后;加入適量的DCA、咪唑和AGE,攪拌均勻;然后將所制得的環氧膠粘劑置于模具中,放入真空干燥(詞條“干燥”由行業大百科提供)箱中,按設定固化工藝進行固化;最后得到測試用樣品。
1.4 測試與表征
1)凝膠時間:以樣品自熔融態至拉不出絲時的時間段作為衡量標準。
2)結構表征:采用紅外光譜(FT—IR)法進行表征(掃描信號累加16 次,分辨率為4 cm-1)。
3)粘接強度:按照GB/T 7124—2008 標準,采用DRL-2 萬能拉伸試驗機進行測定。鐵片基材為100 mm × 25 mm × 5 mm,施膠面積為12.5 mm ×25 mm,固化條件為135 ℃/1 h + 150 ℃/3 h,以5 組試樣平均值示之。
4)耐候性:采用熱老化試驗箱進行耐老化測試,將膠粘劑在國標鐵片上固化后,放入熱老化試驗箱,從-40 ℃到85 ℃高低溫循環,進行老化操作,最后用萬能測試儀測其剪切(詞條“剪切”由行業大百科提供)力,并計算出粘接強度,與未老化的試樣做對比。
5)抗沖擊強度:按照GB/T 7124—2008 標準,采用電子萬能試驗機進行測定(單搭接接頭,被粘物為經適當表面處理過的金屬):將按配方配好的不同EP 膠粘劑試樣,分別倒入100 mm × 10 mm × 4 mm的模具中,置于真空干燥烘箱中在固化制度為100℃/0.5 h + 140 ℃/1 h 下完全固化后,在室溫下靜置1d,最后用抗沖擊試驗機測其抗沖擊強度。
2 .結果與討論
2.1 EP 膠粘劑固化體系的研究
2.1.1 EP 膠粘劑基本配方的確定
通過對EP 和其固化劑的性能進行分析,最終選用DCA 與咪唑作為固化體系。由下式計算:
其中DCA 的相對分子質量為84.08,胺分子中的活潑氫原子個數為4,EP 的環氧當量為180~190,EP 和DCA 完全反應時的DCA 理論用量為11 g,但生產過程中DCA 的實際用量要低于理論用量。本實驗中FT-IR 表征結果表明,EP/DCA 兩者在m(EP)∶ m(DCA)= 100 ∶ 10 時能完全固化,這是由于DCA 分子中除含有4 個活潑H 外,還含有高溫時能與環氧基、羥基反應的氰基(—CN),因此確定DCA 的用量為10 份、咪唑的用量為1 份(相對于EP 質量而言),此時實驗結果達到最佳。因此,EP 膠粘劑的基本配方為m(EP)∶ m(DCA)∶m(咪唑)= 100 ∶ 10 ∶ 1。
2.1.2 EP 膠粘劑的凝膠時間
凝膠時間是指在一定條件下液態物質形成凝膠所需的時間。在其他條件保持不變的前提下(如基材為導熱性良好的不銹鋼板等),考察了不同溫度對EP 膠粘劑時間的影響,結果見表1 所示。
由表1 可知:當溫度為90~140℃時,凝膠時間隨溫度升高呈先短后長再短趨勢;當溫度≤100 ℃時,凝膠時間為30 min 左右。溫度較低時,EP 膠粘劑的交聯固化反應并不徹底,其放熱效應較小,不能保證體系充分固化;欲使體系完全固化,必須延長體系的固化時間;反之,溫度過高時,由于反應放熱劇烈(易爆聚),會導致EP 膠粘劑固化過度。
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