舞蹈器材用高韌性膠粘劑的開(kāi)發(fā)與性能研究

馬 莉

(咸陽(yáng)師范學(xué)院,陜西咸陽(yáng) 712000)

隨著現(xiàn)代物質(zhì)生活的極大豐富和對(duì)精神生活的普遍追求,舞蹈愛(ài)好者在國(guó)內(nèi)也呈現(xiàn)逐年增多的趨勢(shì),這主要是因?yàn)槲璧覆粌H會(huì)鍛煉體質(zhì)、增強(qiáng)氣質(zhì),還可以起到修養(yǎng)身心、美化形體等作用,這種對(duì)舞蹈的愛(ài)好變化趨勢(shì)也給舞蹈器材提供了巨大發(fā)展機(jī)遇,其中,不同類(lèi)型、不同材質(zhì)的舞蹈器材多采用粘接方式進(jìn)行連接,因此,需要對(duì)粘接用膠粘劑提出較高的要求,包括足夠的強(qiáng)度、耐疲勞和耐老化等[1],而高韌性作為衡量舞蹈器材用膠粘劑品質(zhì)的關(guān)鍵,也逐漸受到越來(lái)越多的關(guān)注。環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的增韌一直是舞蹈器材過(guò)程中亟需解決的技術(shù)難題[2-3],而具有高韌性的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑目前還主要依靠進(jìn)口,國(guó)內(nèi)在高韌性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用上起步較晚,目前還沒(méi)有形成完整的技術(shù)體系,包括增韌劑的選擇、增韌劑的添加量及相應(yīng)的固化工藝等少有報(bào)道[4-6]。本文從改善舞蹈器材用膠粘劑韌性角度出發(fā),考察了丁腈-40 和端羧基丁腈預(yù)聚體作為增韌劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑綜合性能的影響,并優(yōu)化了丁腈-40 和端羧基丁腈預(yù)聚體作為增韌劑的添加量和固化溫度,結(jié)果可為高韌性舞蹈器材用膠粘劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料及主要生產(chǎn)廠(chǎng)家信息見(jiàn)表1,粘結(jié)試件為江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的熱軋態(tài)20#鋼。

表1 試驗(yàn)原料Table 1 Test materials

1.2 儀器設(shè)備

CMT4304 型液壓伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),美國(guó)MTS公司；Q20 型差示掃描量熱儀,美國(guó)TA 公司；JBW-300B 型微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī),濟(jì)南力拓有限公司；DНG-8806 型烘箱,上海俊熱機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.3 試樣制備

以E51 型環(huán)氧樹(shù)脂作為主樹(shù)脂,醋酸改性胺和D400 聚醚胺作為復(fù)配固化劑,將增韌劑A 和增韌劑B按比例加入后進(jìn)行攪拌,然后進(jìn)行脫泡處理得到改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑膠液[7],分別采用自制模具澆注成力學(xué)性能測(cè)試試樣。

1.4 與性能測(cè)試

(1)沖擊性能:根據(jù)ASTM D256-2010(R2018)《測(cè)定塑料抗擺沖擊性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行,試樣尺寸為80×10×4(mm)(無(wú)缺口)。

(2)剪切強(qiáng)度:根據(jù)GB/T 7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行剪切單搭接試樣的拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試,粘結(jié)面尺寸為12.5mm×25mm,拉伸速率為1mm/min。

(3)拉伸性能、抗彎性能和壓縮性能:根據(jù)GB/T 2567-2008《樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 增韌劑

圖1 為增韌劑A 添加量對(duì)膠粘劑試件剪切強(qiáng)度的影響,固化溫度分別為60℃和80℃,固化時(shí)間都為3h。

圖1 增韌劑A 添加量對(duì)膠粘劑試件剪切強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of toughening agent A on shear strength of adhesive specimens

由圖1 可見(jiàn),當(dāng)固化溫度為60℃、固化時(shí)間為3h時(shí),隨著增韌劑丁腈添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),在丁腈添加量為10% 時(shí)取得剪切強(qiáng)度最大值；當(dāng)固化溫度為80℃、固化時(shí)間為3h 時(shí),隨著增韌劑丁腈添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),且在相同丁腈添加量時(shí),固化溫度80℃的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度都要高于固化溫度60℃的膠粘劑試件。這主要是因?yàn)檩^高的固化溫度會(huì)使得丁腈與環(huán)氧樹(shù)脂的反應(yīng)更加劇烈,相同固化時(shí)間下二者的反應(yīng)更加充分,更加有利于提升膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度[8-10]。此外,雖然固化溫度為80℃時(shí)膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度整體呈現(xiàn)隨著丁腈添加量增加而增大的特征,但是當(dāng)丁腈添加量達(dá)到10% 時(shí),繼續(xù)增加丁腈添加量對(duì)剪切強(qiáng)度的影響并不大,考慮到增韌劑的添加可能額外增加成本以及影響其他力學(xué)性能,因此,適宜的丁腈添加量建議為10%。

表2 為優(yōu)化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件的綜合性能,固化溫度為80℃、固化時(shí)間為3h。

表2 優(yōu)化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件的綜合性能Table 2 Comprehensive properties of adhesive specimens with optimized toughening agent A

圖2 為增韌劑B 添加量對(duì)膠粘劑試件剪切強(qiáng)度的影響,固化溫度為60℃,固化時(shí)間為3h。可見(jiàn),隨著增韌劑B 添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),在增韌劑B 添加量為15% 時(shí)取得剪切強(qiáng)度最大值。由此可見(jiàn),增韌劑B的添加量并不是越多越好,在增韌劑B 添加量小于15% 時(shí),膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度會(huì)隨著增韌劑B 添加量增加而增大,而后繼續(xù)增加增韌劑B 添加量,膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度會(huì)急劇減小,適宜的增韌劑B 添加量建議為15%。這主要是因?yàn)檫m量增韌劑B 可以在固化過(guò)程中分解出端羧基丁腈并均勻分散在基體中[11],而過(guò)量增韌劑B的添加會(huì)造成分解出的端羧基丁腈在基體中的聚集,在受外力作用時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生裂紋[12],從而造成剪切強(qiáng)度的下降。

圖2 增韌劑B 添加量對(duì)膠粘劑試件剪切強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of toughening agent B on shear strength of adhesive specimens

表3 為優(yōu)化增韌劑B 添加量下膠粘劑試件的綜合性能,固化溫度為60℃、固化時(shí)間為3h。

表3 優(yōu)化增韌劑B 添加量下膠粘劑試件的綜合性能Table 3 Comprehensive properties of adhesive specimens with optimized toughening agent B

對(duì)比表2的優(yōu)化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件的綜合性能可知,優(yōu)化增韌劑B 添加量下膠粘劑試件的抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都要低于優(yōu)化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件,但是斷后伸長(zhǎng)率和剪切強(qiáng)度要高于后者。這也就說(shuō)明,端羧基丁腈作為增韌劑添加對(duì)韌性的貢獻(xiàn)要優(yōu)于丁腈。

2.2 固化溫度

表4 為不同固化溫度下增韌劑改性膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。從剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果來(lái)看,隨著固化溫度從60℃增加至140℃,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度逐漸增大,在固化溫度為140℃時(shí),增韌劑A 改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度為33.50MPa；隨著固化溫度從60℃增加至140℃,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度也逐漸增大,在固化溫度為140℃時(shí),增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度為35.26MPa；在相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度要高于增韌劑A 改性的膠粘劑試件。從彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果來(lái)看,隨著固化溫度從60℃增加至140℃,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度先增加后減小,在固化溫度為100℃時(shí)取得最大值(102MPa)；隨著固化溫度從60℃增加至140℃,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度也呈現(xiàn)先增大后減小特征,在固化溫度為100℃時(shí)取得最大值(82MPa)；在相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度要小于增韌劑A 改性的膠粘劑試件。

表4 不同固化溫度下增韌劑改性膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度Table 4 Shear strength and bending strength of toughening agent modifi ed adhesive specimens at diff erent curing temperatures

表5 為不同固化固化溫度下增韌劑改性膠粘劑試件的沖擊強(qiáng)度。可見(jiàn),對(duì)于增韌劑A 改性的膠粘劑試件,隨著固化溫度從60℃增加至140℃,膠粘劑試件的沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的特征,在固化溫度為100℃時(shí)取得沖擊強(qiáng)度最大值22.57kJ/m2；對(duì)于增韌劑B 改性的膠粘劑試件,隨著固化溫度從60℃增加至140℃,膠粘劑試件的沖擊強(qiáng)度也呈現(xiàn)先增加后減小的特征,在固化溫度為100℃時(shí)取得沖擊強(qiáng)度最大值23.25kJ/m2。在相同固化溫度下,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的沖擊強(qiáng)度都要低于增韌劑B 改性的膠粘劑試件,這主要與增韌劑B 更加有利于改善膠粘劑試件的韌塑性有關(guān)[13]。

表5 不同固化溫度下增韌劑改性膠粘劑試件的沖擊強(qiáng)度(kJ/m2)Table 5 Impact strength of toughening agent modified adhesive specimens at different curing temperatures

綜合表4 和表5的測(cè)試結(jié)果可知,相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度要高于增韌劑A改性的膠粘劑試件,且增韌劑改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度會(huì)隨著固化溫度升高而增大；相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度要小于增韌劑A 改性的膠粘劑試件,且在固化溫度為100℃時(shí)增韌劑改性的膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度取得最大值。相同固化溫度下,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的沖擊強(qiáng)度都要低于增韌劑B 改性的膠粘劑試件,且在固化溫度為100℃時(shí)增韌劑改性的膠粘劑試件的沖擊強(qiáng)度最大,表明此時(shí)膠黏劑試件的韌性最好[14],更適合作為高韌性膠粘劑而在舞蹈器材中使用。

3 結(jié)論

(1)隨著增韌劑A 丁腈-40 添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),在丁腈添加量為10% 時(shí)取得剪切強(qiáng)度最大值；在相同丁腈添加量時(shí),固化溫度80℃的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度都要高于固化溫度60℃的膠粘劑試件。

(2)隨著增韌劑B 添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),在增韌劑B 添加量為15% 時(shí)取得剪切強(qiáng)度最大值。優(yōu)化增韌劑B 添加量下膠粘劑試件的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、拉伸彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別為46.72MPa、5.06%、2085MPa、74.46MPa、73.64MPa 和31.37MPa。

(3)相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度要高于增韌劑A 改性的膠粘劑試件,且增韌劑改性的膠粘劑試件的剪切強(qiáng)度會(huì)隨著固化溫度升高而增大；相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度要小于增韌劑A 改性的膠粘劑試件,且在固化溫度為100℃時(shí)試件的彎曲強(qiáng)度取得最大值。相同固化溫度下,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的沖擊強(qiáng)度都要低于增韌劑B 改性的膠粘劑試件,且在固化溫度為100℃時(shí)試件的沖擊強(qiáng)度最大。