籃球架用硅橡膠膠粘劑的制備與性能研究

靳鐵柱

(西安財(cái)經(jīng)大學(xué)行知學(xué)院,陜西西安 710038)

籃球架結(jié)構(gòu)部件的粘接性能一直是衡量籃球架整體質(zhì)量的重要考核指標(biāo)。隨著全民健身運(yùn)動(dòng)的普及以及應(yīng)用環(huán)境的多樣化,目前用于籃球架結(jié)構(gòu)件粘接的硅橡膠膠粘劑需要具有尺寸穩(wěn)定、良好的力學(xué)性能和粘接性能、耐高溫和耐老化等特性[1-2],但是由于目前市面上常見的硅橡膠膠粘劑中通常不含反應(yīng)性功能基團(tuán)[3-4],在作為籃球架結(jié)構(gòu)件粘接使用時(shí),會(huì)由于粘接性能較差等影響其使用壽命,嚴(yán)重情況下還會(huì)影響正常使用。較為可行的方法是在硅橡膠膠粘劑中添加增粘劑,使其在不降低力學(xué)性能的前提下增強(qiáng)粘接性能,而目前這方面的研究工作較少,具體作用機(jī)理也不清楚[5-7]。在此基礎(chǔ)上,本文通過選取市場(chǎng)上常見的增粘劑和自制增粘劑,考察增粘劑類型和添加量對(duì)硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能和粘接性能的影響,并優(yōu)化了硅橡膠膠粘劑的固化工藝,結(jié)果有助于新型高粘接性能硅橡膠膠粘劑的開發(fā)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

甲基乙烯基硅橡膠生膠(乙烯基含量為0.17%),浙江恒業(yè)成有機(jī)硅有限公司；支鏈型乙烯基硅油(乙烯基含量為3%),安徽艾約塔硅油有限公司；乙烯基硅樹脂(乙烯基含量12%),海南修紅生物化工有限公司；含氫硅油(氫含量0.6%),東莞市樂遠(yuǎn)化工科技有限公司；卡式催化劑(鉑含量0.2%),東莞市東晟合成材料有限公司；氣相二氧化硅,上海凱茵化工有限公司；環(huán)己基炔醇抑制劑,鄭州阿爾法化工有限公司。含環(huán)氧基有機(jī)硅增粘劑(C,分析純),自制(硅氧烷與含環(huán)氧基的不飽和烴反應(yīng)合成)；γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KН-550,D,分析純),南京全?；び邢薰荆沪?(2,3-環(huán)氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷(KН560,E,99%),濟(jì)南環(huán)正化工有限公司；γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KН570,F,99%),濟(jì)南環(huán)正化工有限公司；3-異氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷(KН910,G,99%),杭州杰西卡化工有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

DНG-9003 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,北方利輝試驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司；MS-105 型電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；JJ-1 精密增力電動(dòng)攪拌器實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī),常州金壇良友儀器有限公司；MTS-810 型液壓伺服電子萬能材料試驗(yàn)機(jī),美國(guó)MTS 公司；TMD250 型導(dǎo)熱材料成型系統(tǒng),焱行科技(上海) 有限公司；LX-D 型邵氏橡膠硬度機(jī),上海雙旭電子有限公司。

1.3 試樣制備

將100 份甲基乙烯基硅橡膠生膠、8 份支鏈型乙烯基硅油、6 份乙烯基硅樹脂、9 份含氫硅油、38 份氣相二氧化硅、0.48 份卡式催化劑、0.2 份抑制劑(摩爾比)和若干增粘劑制成膠料,燒杯中攪拌均勻和消泡后,倒入聚四氟乙烯模具中,在電熱干燥箱中進(jìn)行一定溫度和保溫時(shí)間的加熱固化處理。

1.4 測(cè)試

根據(jù) GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》,將硅橡膠制成啞鈴型試樣(標(biāo)距20mm),在拉力機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,拉伸速率為2mm/min；根據(jù)GB/T 531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法》,對(duì)不同類型的硅橡膠進(jìn)行邵氏硬度測(cè)試；根據(jù)GB/T 13936-2014《硫化橡膠與金屬粘接拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定方法》,將硫化橡膠與金屬粘結(jié)成拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣:厚2mm的5083 鋁合金剪裁成100mm×25mm,打磨后與搭接面為25mm×10mm的硫化橡膠進(jìn)行粘結(jié),并進(jìn)行室溫剪切強(qiáng)度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 增粘劑

表1 為增粘劑對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能的影響,其中,增粘劑A 表示未添加增粘劑的試樣,增粘劑添加量都為2%(wt.)。對(duì)比分析可知,未添加增粘劑的A 試樣的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度分別為4.69MPa、553%和39НA；相較于未添加增粘劑的試樣,添加C、D、E、F 和G 增粘劑硫化后試樣的抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提升,而斷后伸長(zhǎng)率和硬度變化幅度不大。這主要是因?yàn)樵稣硠┑奶砑涌梢愿纳茪庀喽趸柙诨w中的存在形式并促進(jìn)其與硅橡膠的相容性,增強(qiáng)其與基體的結(jié)合,發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)作用。此外,F 增粘劑試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度增加幅度較大,這主要是因?yàn)镵Н570 中含有C-C 雙鍵,在硅橡膠膠粘劑硫化過程中可以提升交聯(lián)密度,使得分子鏈數(shù)量增多并提升其抗拉強(qiáng)度和硬度[8]。

表1 增粘劑對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能的影響Table 1 Effect of tackifier on mechanical properties of silicone rubber adhesive for basketball stand

圖1 為增粘劑對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑粘接性能的影響,分別列出了無增粘劑、單一增粘劑以及復(fù)合增粘劑對(duì)硅橡膠膠粘劑試樣剪切強(qiáng)度的影響,增粘劑添加量都為2%(復(fù)合增粘劑中各占50%)。對(duì)比分析可知,單一增粘劑(D、E、F、G 和C)以及復(fù)合增粘劑(D+F、E+D、E+F 和E+C)添加的硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于未添加增粘劑的試樣。對(duì)于單一增粘劑試樣,剪切強(qiáng)度從高至低順序?yàn)镃>E>F>G>D；對(duì)于復(fù)合增粘劑,剪切強(qiáng)度從高至低順序?yàn)镋+C>E+F>E+D>D+F。單一增粘劑添加得到的最大剪切強(qiáng)度試樣(C 增粘劑)的剪切強(qiáng)度要高于復(fù)合添加增粘劑得到的最大剪切強(qiáng)度試樣(E+C 增粘劑)；在D 增粘劑和F 增粘劑中復(fù)合使用含有環(huán)氧基團(tuán)的E 增粘劑,E+D 和E+F 試樣的剪切強(qiáng)度也要高于單一D 和單一F 試樣。究其原因,這主要是因?yàn)樵稣硠〤 和增粘劑E 都是含環(huán)氧基團(tuán)的增粘劑,在硅橡膠膠粘劑制備過程中可以提升金屬與硅橡膠二者的粘結(jié)作用[9],從而提升試樣的剪切強(qiáng)度,且含環(huán)氧基團(tuán)的C 增粘劑對(duì)硅橡膠膠粘劑粘接性能的提升效果最好,后續(xù)需要進(jìn)一步考察其添加量對(duì)硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能和粘接性能的影響。

圖1 增粘劑對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑粘接性能的影響Fig.1 Effect of tackifier on adhesion properties of silicone rubber adhesive for basketball stand

2.2 C 增粘劑含量

表2 為C 增粘劑含量對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能的影響。對(duì)比分析可知,當(dāng)C 增粘劑添加量為0.5%～3.0% 時(shí),添加增粘劑的硅橡膠膠粘劑試樣的抗拉強(qiáng)度都要高于未添加增粘劑的試樣,但是提升幅度都不大,且C 增粘劑添加對(duì)試樣的硬度影響也不大。這主要是因?yàn)樵稣硠┑淖饔檬歉纳茪庀喽趸柙诨w中的存在形式,但是在硫化過程中并不會(huì)參與交聯(lián)作用,分子鏈數(shù)量并不會(huì)明顯改變[10],因此,抗拉強(qiáng)度雖有增加但是并不明顯。

表2 C 增粘劑含量對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能的影響Table 2 Effect of tackifier C content on mechanical properties of silicone rubber adhesive for basketball stand

圖2 為C 增粘劑含量對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑粘接性能的影響。可見,隨著C 增粘劑含量從0%增加至3.0%,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),但是當(dāng)C 增粘劑添加量為2.0% 時(shí),繼續(xù)增加C 增粘劑含量并不會(huì)對(duì)硅橡膠膠粘劑的剪切強(qiáng)度造成明顯影響。這主要是因?yàn)檫m量增粘劑的添加有助于提升金屬表面與增粘劑中環(huán)氧基團(tuán)的交互作用[11],并在增粘劑為2.0% 時(shí)交互作用已經(jīng)較為充分,繼續(xù)增加增粘劑對(duì)二者之間的交互作用并不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。因此,建議硅橡膠膠粘劑中C 增粘劑添加量為2.0%。

圖2 C 增粘劑含量對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑粘接性能的影響Fig.2 Effect of tackifier C content on adhesion properties of silicone rubber adhesive for basketball stand

2.3 固化溫度和固化時(shí)間

圖3 為固化溫度對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響,其中,C 增粘劑含量為2.0%、固化時(shí)間為30min?？梢?當(dāng)固化溫度為80℃時(shí),硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度約為0.86MPa；隨著固化溫度從80℃增加至180℃,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),但是當(dāng)固化溫度達(dá)到150℃時(shí),繼續(xù)提高固化溫度并不會(huì)對(duì)硅橡膠膠粘劑的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。因此,添加C 增粘劑的硅橡膠膠粘劑試樣適宜的固化溫度為150℃。

圖3 固化溫度對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of curing temperature on shear strength of silicone rubber adhesive for basketball stand

圖4 為固化時(shí)間對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響,其中,C 增粘劑含量為2.0%、固化溫度為150℃?？梢?當(dāng)固化時(shí)間為10min 時(shí),硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度約為1.03MPa；隨著固化時(shí)間從10min增加至120min,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),但是當(dāng)固化時(shí)間達(dá)到60min 時(shí),繼續(xù)提高固化時(shí)間并不會(huì)對(duì)硅橡膠膠粘劑的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響,這主要是因?yàn)樵谳^高的固化溫度下作用一段時(shí)間后,硅橡膠膠粘劑中的環(huán)氧基團(tuán)會(huì)與金屬發(fā)生交互作用而增大剪切強(qiáng)度,但是超過60min 后,硅橡膠膠粘劑試樣內(nèi)部交聯(lián)反應(yīng)已經(jīng)較為充分,繼續(xù)增加固化時(shí)間并不會(huì)進(jìn)一步提升內(nèi)聚強(qiáng)度[12]。因此,添加C 增粘劑的硅橡膠膠粘劑試樣適宜的固化時(shí)間為60min。

圖4 固化時(shí)間對(duì)籃球架用硅橡膠膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of curing time on shear strength of silicone rubber adhesive for basketball stand

3 結(jié)論

(1)未添加增粘劑的A 試樣的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度分別為4.69MPa、553% 和39НA；相較于未添加增粘劑的試樣,添加C、D、E、F 和G 增粘劑硫化后試樣的抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提升,而斷后伸長(zhǎng)率和硬度變化幅度不大。對(duì)于單一增粘劑(D、E、F、G 和C)試樣,剪切強(qiáng)度從高至低順序?yàn)镃>E>F>G>D；對(duì)于復(fù)合增粘劑,剪切強(qiáng)度從高至低順序?yàn)镋+C>E+F>E+D>D+F。

(2)當(dāng)C 增粘劑添加量為0.5%～3.0% 時(shí),添加增粘劑的硅橡膠膠粘劑試樣的抗拉強(qiáng)度都要高于未添加增粘劑的試樣,但是提升幅度都不大,且C 增粘劑添加量為0%～3.0% 時(shí)對(duì)試樣的硬度影響也不大。隨著C 增粘劑含量從0% 增加至3.0%,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),但是當(dāng)C 增粘劑添加量為2.0%時(shí),繼續(xù)增加C 增粘劑含量并不會(huì)對(duì)硅橡膠膠粘劑的剪切強(qiáng)度造成明顯影響。

(3)隨著固化溫度從80℃增加至180℃,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),但是當(dāng)固化溫度達(dá)到150℃時(shí),繼續(xù)提高固化溫度并不會(huì)對(duì)硅橡膠膠粘劑的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。隨著固化時(shí)間從10min 增加至120min,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),但是當(dāng)固化時(shí)間達(dá)到60min 時(shí),繼續(xù)提高固化時(shí)間并不會(huì)對(duì)硅橡膠膠粘劑的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。