光量熱儀表征紫外光固化膠黏劑的固化過程

孟祥艷，魏莉萍，周燕萍，王雪蓉，劉運(yùn)傳，王康，于萬增

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

紫外光固化膠黏劑（UV膠）是紫外光固化材料中的一個重要分支，它為單組分，使用方便，浪費(fèi)少，固化速度快，可在高速生產(chǎn)線上使用，利于自動化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率。UV膠室溫或低溫即可固化，可用于不能加熱膠接的基材。其固化設(shè)備簡單，不含溶劑，基本無污染。在環(huán)境污染和能源問題日益成為人類可持續(xù)發(fā)展主要制約因素的今天，UV膠的使用具有重要的社會意義［1–5］。

紫外–可見差示掃描量熱儀（UV–DSC）是帶有紫外光組件的差示掃描量熱儀，它能記錄UV膠在不同強(qiáng)度紫外光照射下的固化過程，表征其在不同照射強(qiáng)度下的固化時(shí)間，為UV膠的研制、選擇和工業(yè)應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)利用UV–DSC對UV膠表征的研究較少［6–8］，筆者利用UV–DSC對UV膠的固化行為進(jìn)行分析，探討了UV–DSC在UV膠研究方面的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

UV–DSC：DSC1型，配有日本濱松紫外光源LC8，瑞士梅特勒–托利多公司；

UV膠：市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 光強(qiáng)度測試

將UV–DSC 于30℃恒溫1 min，選擇自動激發(fā)紫外光源，持續(xù)光照3 min。以涂黑的樣品坩堝吸收紫外光能量，在DSC熱流曲線上會出現(xiàn)一個熱流臺階，以樣品坩堝吸收的熱量除以坩堝面積就是光強(qiáng)度。LC8紫外光源可連續(xù)進(jìn)行光源調(diào)節(jié)，分別調(diào)節(jié)光源輸出100%，50%和10%，測試實(shí)際紫外光強(qiáng)度。

1.2.2 固化時(shí)間測試

將UV–DSC于30℃恒溫1 min后激發(fā)紫外光源，持續(xù)光照2 min。將樣品放入開口坩堝中，在紫外光照射下固化放熱，在熱流曲線上出現(xiàn)固化峰。固化結(jié)束后樣品放置不動，重新做一遍光照掃描，用來作為樣品吸收紫外光照射能量基線，第1次紫外光照射熱流曲線扣除第2次紫外光照射曲線即為UV膠紫外光固化曲線。分別測試10%，50%，100%光強(qiáng)下UV膠的固化時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 光強(qiáng)度測試

100%光源強(qiáng)度照射時(shí)，光源測試的DSC曲線如圖1所示。從圖1可以看出，在1 min紫外光源激發(fā)時(shí)，涂黑的坩堝完全吸收光熱量，在DSC曲線上出現(xiàn)吸收熱量約為450 mW的臺階，然后在光源照射的3 min內(nèi)此熱量保持恒定，紫外光源停止照射時(shí)，DSC曲線又回到零點(diǎn)，吸收熱量臺階的大小即為光源的熱量。

圖1 100%光源強(qiáng)度光強(qiáng)測試DSC曲線

對100%光源強(qiáng)度重復(fù)測試2次，測試結(jié)果列于表1。

表1 100%光源強(qiáng)度重復(fù)性測試結(jié)果

從表1可知，100%光強(qiáng)度約為1 600 mw／cm2，兩次測量結(jié)果相對偏差為1.27%，表明紫外光源具有很好的穩(wěn)定性。

調(diào)節(jié)光源能量分別至50%和10%測試光強(qiáng)度，測試結(jié)果列于表2。

表2 不同光源強(qiáng)度的調(diào)節(jié)測試

從表2中可以看出，調(diào)節(jié)光源能量可以得到比例基本一致的光強(qiáng)度，在具體試驗(yàn)中，可根據(jù)對固化時(shí)紫外光強(qiáng)度的要求方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是隨著使用時(shí)間的增加，紫外光源強(qiáng)度會變?nèi)?，需要定期對光?qiáng)進(jìn)行測試，以得到準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)。

2.2 樣品固化時(shí)間測試結(jié)果

典型的UV膠紫外光固化的DSC曲線如圖2所示。圖2中第1次紫外光照射掃描的DSC曲線扣除第2次紫外光照射掃描的DSC曲線得到UV膠的紫外光固化曲線3。從DSC曲線3上可以方便地得出固化時(shí)間參數(shù)。

圖2 UV膠紫外光固化典型的DSC曲線

光源強(qiáng)度10%，50%，100%光強(qiáng)下UV膠的固化時(shí)間測試結(jié)果見表3。對光固化后UV膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行DSC升溫掃描，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測試結(jié)果見表4。

表3 不同光照強(qiáng)度下UV膠固化時(shí)間測定結(jié)果

表4 不同光照強(qiáng)度下固化UV膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測定結(jié)果

由表3中可知，隨著光照強(qiáng)度的增加，固化時(shí)間不斷縮短，但是光固化時(shí)間都很短，大約十幾秒就可以完全固化。表4表明UV膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度并不隨著光照強(qiáng)度的增大而提高，光照強(qiáng)度達(dá)到1 600 mW／cm2時(shí)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，放熱量最小，這可能和固化反應(yīng)過快，固化未能充分進(jìn)行有關(guān)，樣品中的UV膠商品注明的實(shí)際應(yīng)用光固化強(qiáng)度是800 mW／cm2，與本試驗(yàn)的結(jié)論一致。

3 結(jié)語

UV–DSC可以實(shí)現(xiàn)不同紫外光強(qiáng)度照射下UV膠的固化反應(yīng)測試，表征不同紫外光強(qiáng)度下的光固化時(shí)間，為UV膠的研制及固化機(jī)理的研究、固化劑類型及用量的選擇、工藝應(yīng)用參數(shù)的確定等提供重要的數(shù)據(jù)，可降低工業(yè)使用成本，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

［1］劉海濤，陳建生，薛紀(jì)東. UV固化膠輻射能量與固化深度的關(guān)系［J］.粘接，2012(2): 58–60.

［2］張穎，朱金華，文慶珍. UV光固化膠黏劑［J］.膠體與聚合物，2008，26(3): 42–43.

［3］Xu J，Pang W，Sift W. Synthesis of UV-curable organic-inorganic hybrid urethane acrylates and properties of cured fi lms［J］. Thin Solid Films，2006，514(1／2): 69–75.

［4］Rose K，Vangeneugden D，Paulussen S，et a1. Radiation curing of hybrid polymer coatings［J］. Surface Coatings International part B: Coatings Transactions，2006，89(1): 41–48.

［5］王德海，江欞.紫外光固化材料理論和應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，200l: l–2.

［6］錢夏慶，王德海，李恒.單體結(jié)構(gòu)對紫外光固化氧阻聚影響的研究［J］.影響科學(xué)與光化學(xué)，2013，31(4): 276–285.

［7］唐敏鋒，曾幸榮，吳偉卿，等. SBS／丙烯酸酯紫外光固化壓敏膠的結(jié)構(gòu)與固化過程［J］.中國膠黏劑，2009，18(11): 12–15.

［8］熊華富，鄭紅娟，陸山風(fēng)，等. DSC法研究雙酚A型環(huán)氧樹脂的UV固化過程［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2005，21(2): 267–270.