稀釋劑對某火工品粘接用UV固化膠粘劑的影響研究

孫會寧，陳保偉，馬家舉

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稀釋劑對某火工品粘接用UV固化膠粘劑的影響研究

孫會寧1，陳保偉2，馬家舉3

（1.綿陽職業(yè)技術(shù)學院材料工程系，四川 綿陽，621000；2.西安北方慶華集團有限公司，陜西 西安，710025；3.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南，232001）

針對火工品殼體常用的透明塑料基材，研究了稀釋劑對UV固化膠粘劑粘接性能的影響。通過對比研究稀釋劑含量、稀釋劑表面張力對粘接性能的影響，以及不同稀釋劑及復配后的粘接性能，得到了最佳的稀釋劑配比及其在膠粘劑中的含量。

火工品；稀釋劑；UV；膠粘劑；粘結(jié)強度

在火工品生產(chǎn)過程中粘接零部件及封口經(jīng)常會使用各類膠粘劑，目前大多使用的是市場現(xiàn)購的普通民用雙組分或多組分膠粘劑，在使用前必須按照其使用說明進行調(diào)配，調(diào)配比例多為1∶1，1∶2或1∶3不等。由于膠粘劑的特殊粘性，在操作前不能提前配制，如提前配制會出現(xiàn)部分自然固化，造成粘接難度增加；若臨時使用前人工調(diào)配，調(diào)配比例不好把控則會造成每一批次的產(chǎn)品粘接性能不穩(wěn)定，對產(chǎn)品的粘接性能和耐環(huán)境的高濕高熱性能影響較大。故目前研究獨立包裝、無需配制、打開即用、性能穩(wěn)定的快速固化的光固化膠粘劑迫在眉睫。目前應用最多的是紫外光（ultraviolet）固化膠粘劑。UV技術(shù)是一項節(jié)能和環(huán)保型新技術(shù)[1]。良好的UV 膠粘劑解決了傳統(tǒng)的熱固化膠粘劑固化慢、污染嚴重、浪費資源等主要問題，直接決定了粘接性能的好壞。膠粘劑的每種組分都直接影響著粘接性能，稀釋劑是膠粘劑的主要組分，僅次于基料對膠粘劑性能的影響，其不僅影響膠粘劑的粘度和涂布，還影響膠粘結(jié)的附著力、聚合程度及粘接強度等其他性能[2]?；鸸て分谐Ｓ猛该魉芰匣淖鳛闅んw，有助于檢查導線和內(nèi)部安裝的性能，因其透光性強可使用光固化膠粘劑。本文研究光固化膠粘劑在火工品部分基材領域的粘接特性，重點考察了稀釋劑對火工品常用透明基材粘接用UV膠粘劑的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

預聚物：采用自制雙酚A環(huán)氧丙烯酸酯（HY）。稀釋單體：丙烯酸丁酯（BA）、丙烯酸異冰片酯（IBOA）、二縮三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）、1,6-已二醇二丙烯酸酯（HDDA）、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA），臺灣長興化學品公司。光引發(fā)劑：1 173，常州華鈦化學品有限公司。

1.2 儀器與設備

UV-125A型紫外光固化機，河北保定北方電子設備廠； QFZ膠膜附著力測定儀，天津市材料試驗機廠； WDW-1002電子萬能試驗機，長春科新試驗儀器有限公司；CCA-100表面張力測試儀，翰光高科技股份有限責任公司。

1.3 膠粘劑的配制及粘接固化

（1）膠粘劑的配制：稱取一定質(zhì)量的自制環(huán)氧樹脂作為預聚物，然后加入不同類型稀釋單體、光引發(fā)劑、助劑，攪拌均勻，避光保存，備用。

（2）基材的粘接粘接與固化

為便于實驗的穩(wěn)定性，選用火工品塑料殼體加工原材料（透明有機塑料）。首先，通過車工加工成規(guī)則的長方體（150×20mm），以便對膠粘劑粘接各項性能的測試，將加工規(guī)則的基材表面處理干凈后，在其中一塊基材涂少量膠液，將另一塊基材與其在涂膠處緊密貼合在一起，并對正位置。調(diào)勻膠層，使搭接長度為3~5mm。如發(fā)現(xiàn)缺膠或有縫，應及時補膠填縫，然后在UV燈下照射直至完全固化，用指觸干法進行表征，記錄時間。

1.4 性能測試

固化時間：參照GB/T 1728-89固化時間執(zhí)行，本實驗采用指觸法，以手指輕觸膠膜表面，如感到有些發(fā)粘但無膠粘劑粘在手指上認為是表面已干，如不感到發(fā)粘認為膠膜表面已固化。

粘附力測定：參照GB/T 1720-89粘附力測定法測定，分為7級，1級最佳，7級最差。

耐水煮性模擬實驗：參照GB/T 1733-93耐水性實驗執(zhí)行，將粘接好的整體基材放在沸水中，直至所粘基材開裂，記錄其時間。

表面張力測定：固體的采用接觸角法，液體的表面張力測定采用吊板法，在CCA-100Contact Angle Tensionmeter表面張力測試儀進行測試，單位為mN/m或mJ/m2。

粘接強度測定：根據(jù)文獻[3]拉伸剪切實驗測試原理和方法，將粘接好的試樣在WDW-1002電子萬能試驗機上進行拉伸剪切實驗。加載速率為10 mm· min-1，記下基材被拉斷時的最大拉力，用該力除以粘接面積即為其拉伸剪切強度[4](參照GB/T 527-1982測定) 。

2 實驗測試與討論

2.1 稀釋劑含量對粘度的影響

粘度是影響光固化膠粘劑的重要因素之一，合適的粘度是保證粘接施工流暢性的前提條件，同時才能和預聚物進行良好的交聯(lián)作用發(fā)揮其成膜作用，并進而保證整體的粘接性能[5]。本實驗采用1173（5%）為光引發(fā)劑，改變預聚物（HY）和稀釋劑（TPGDA）的比例，測試其粘度，結(jié)果見圖1。

圖1 稀釋劑含量對膠粘劑粘度的影響

從圖1可以看出，稀釋劑含量越低粘度越大，稀釋劑含量增加，粘度明顯降低。實驗發(fā)現(xiàn)稀釋劑百分含量控制在總組分40%以上比較適合粘度使用要求，但又考慮預聚物作為主要成膜物質(zhì)不影響其粘接性能，故稀釋劑控制在38%~65%比較合適。

2.2 活性稀釋劑表面張力對粘接性能的影響

由于火工品粘接的殼體材料為有機塑料殼體，其基材比普通的金屬和玻璃基材表面能低，只有23.83 mN/m[6]，粘接附著力隨之降低，粘接難度增加。根據(jù)相似相容原理，膠粘劑只有表面張力低于基材的表面張力時才能很好地粘接基材，故考察每種稀釋劑的表面張力對膠粘劑的表面張力影響。配制膠粘劑前對幾種常用稀釋劑的表面張力進行測試，如圖2~4所示。

圖2 IBOA（單官能團稀釋劑）表面張力測試圖

圖3 TPGDA（雙官能團稀釋劑）表面張力測試圖

圖4 TMPTA（三官能圖稀釋劑）表面張力測試圖

從圖2~4明顯看出，不同官能度的稀釋劑表面張力不同，隨著官能團增加表面張力隨之增加。根據(jù)楊氏定律[7]可知，膠粘劑浸潤角的大小與基材表面張力σ、膠粘劑表面張力σ及固-液界面張力σ之間存在下列關(guān)系（為了便于討論，將膠粘劑當成一種液體，被粘基材當成固體，當膠粘劑被涂于被粘物表面而且達到受力平衡時）：

當膠粘劑涂布于固體基材時其受力如圖5所示。

注：固表示固體有機塑料基材；液表示液體UV膠粘劑

圖5 膠粘劑涂布于固體基材受力圖

Fig.5 Adhesive applied to solid substrate force diagram

由式（1）可知[8]：（1）若σ＜σ，則cos＜0，＞90°，液體膠粘劑不能潤濕固體基材。當=1 80°時，基材表面完全不能潤濕，液體膠粘劑呈球狀；（2）若σ＞σ-σ時，則0＜cos＜1，＜90°，液體膠粘劑能潤濕固體基材；（3）若σ=σ-σ時，則cos=1，=0°，液體膠粘劑完全浸潤固體基材；（4）若σ-σ＞σ時，則液體膠粘劑在固體基材表面完全浸潤（=0°）時仍未達到平衡而鋪展開來。

所以，改變稀釋劑體系的表面張力，就能改變接觸角，即改變系統(tǒng)的潤濕情況。為了增強浸潤，降低，必須設法增加σ，減小σ，也就是說，表面張力小的物質(zhì)能很好地浸潤表面張力大的物質(zhì)，反之則不行。當膠粘劑與基材表面接觸時，處于界面區(qū)的兩種分子在朝向各相內(nèi)部方向受到同種分子的吸引作用。在朝向界面方向，受到來自界面分子力的吸引作用。對于高表面能基材，界面區(qū)膠粘劑分子有一種被吸附于固體的壓力，容易形成浸潤狀態(tài)。而表面能較低的塑料基材，其吸引力低于膠粘劑分子的吸引力，則界面區(qū)的膠粘劑分子有一種向液體內(nèi)部收縮的張力，這樣就使膠粘劑在表面能較低的基材成為非浸潤態(tài)。所以，膠粘劑的表面張力越低，對火工品用有機塑料基材的粘接越有利。

2.3 活性稀釋劑配比對粘接性能的影響

固定HY（50%）和1173（5%）不變，考察了幾種稀釋劑對附著力和粘結(jié)強度的影響，對性能較好的稀釋劑進行復配考察其粘接性能，結(jié)果見表1。

表1 稀釋劑不同配比對粘結(jié)性能的影響

Tab.1 Effect of different proportion of compound diluent on adhesive property

從表1可以看出，隨雙官能團稀釋劑TPGDA含量增加，固化速率增加，附著力增加，但其增加過量后反而使黏結(jié)強度有所減小。這主要是因為隨著雙官能團的含量增加，碳碳雙鍵含量增加，在雙鍵打開固化的過程中，固化速率提高，固化度增加，附著力有所增加。但是，官能團含量增加較多時，由于膠層體積收縮產(chǎn)生的收縮應力來不及釋放，固化收縮率增加反而會影響附著力。單官能團單體固化速率雖然較低，有較充分時間釋放收縮應力，同時表面張力有所減小，使其有利于粘接，對提高粘結(jié)強度有積極作用。當其與雙官能團復配時，由于多官能度單體的交聯(lián)作用使體系性能發(fā)生變化。實驗發(fā)現(xiàn)IBOA∶TPGDA比例為25%∶25%至20%∶30%時測試粘接的的綜合性能較好。

3 結(jié)束語

通過實驗發(fā)現(xiàn)膠粘劑中稀釋劑對膠粘劑的黏結(jié)強度影響較大，對表面能較低的火工品專用塑料殼體與導線間的粘接影響較大。選用雙官能團活性稀釋劑比單官能團和三官能團黏結(jié)強度更好，實驗發(fā)現(xiàn)采用復配效果更佳，當單官能團IBOA與TPGDA復配且其比例控制在（1∶1～2∶3）之間，其總量控制在膠粘劑總組分含量的45%~55%之間時，對火工品專用有機透明塑料的粘接效果最佳。

[1] 韓俊鳳,馬平,等.活性稀釋劑對自由基型UV固化反應過程的影響[J].粘接,2006(1):5-6.

[2] 龔勝昭,高洪潮.精細化學品檢驗技術(shù)[M].北京:科學出版社,2010.

[3] 陳少東,趙武.日用化學品檢測技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2015.

[4] 陳用烈,曾照華.輻射固化材料及其應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003.

[5] 丁偉.低粘度可噴涂UV固化木器基涂料及性能的研究[D].淮南:安徽理工大學,2004.

[6] 孫會寧.低表面能基材粘接用膠粘劑的研究[D].淮南:安徽理工大學,2006.

[7] 江欞.工科綜合化學[M].淮南:化學出版社,2006.

[8] 李素婷.物理化學[M].北京:化學工業(yè)出版社,2014.

Study on the Influence of Diluent on UV Curing Adhesive for Initiating Explosive Device Bonding

SUN Hui-ning1, CHEN Bao-wei2，MA Jia-ju3

(1.Departmenrt of Material Engineering, Mianyang Polytechnic，Mianyang，621000；2.Xi’an Northern Qinghua Electric Appliances Company，Xi’an，710025；3.Departmenrt of Chemistry Engineering，Anhui University of Science and Techology，Huainan，232001)

Aimed at clear plastic material usually used for initiator shell, the effect of diluents on adhesive property of ultraviolet(UV) curing adhesive was studied. Through studying the influence of diluent content and surface tension of diluent on adhesive property, as well as the adhesive property of different diluent and compound diluents, the best ratio of compound diluents and its content in UV curing adhesive were obtained.

Initiating explosive device；Diluent；Ultraviolet；Adhesive；Donding strength

1003-1480（2017）05-0012-04

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.004

2017-08-12

孫會寧（1978 -），女，副教授，主要從事化學教學及新材料研究。