環(huán)氧樹脂液體膠粘劑耐高溫性能分析

楊永紅，馮 劍

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊市 830000）

引 言

環(huán)氧樹脂是常用的一種化學(xué)物質(zhì)，屬于人造樹脂的一種，是膠粘劑的主要制備材料之一。以環(huán)氧樹脂為基體制備的膠粘劑黏度高，其具備價(jià)格低廉、環(huán)境污染低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療、航空航天、工業(yè)、機(jī)械等很多領(lǐng)域中得到應(yīng)用[1]。然而，由環(huán)氧樹脂制備的膠粘劑不是完美無缺的，當(dāng)固化達(dá)到一定程度后，其會(huì)發(fā)生脆化。除此之外，環(huán)氧樹脂耐高溫性能較差，容易超過承受極限的問題，會(huì)使其膠接強(qiáng)度急劇下降，失去效用，因此改進(jìn)環(huán)氧樹脂液體膠粘劑的耐高溫性能一直是研究的重點(diǎn)[2]。

在上述背景下，以環(huán)氧樹脂液體為基礎(chǔ)，通過添加各種耐高溫進(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)膠粘劑耐高溫性能改進(jìn)的研究有很多。例如，康瑞興，王鑫，趙雄燕在其研究中分析了環(huán)氧樹脂膠粘劑的多種改進(jìn)方法，并針對(duì)這些方法對(duì)比分析了其性能，針對(duì)具體使用環(huán)境實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)改性，為研制出高性能和高功能性的新型環(huán)氧樹脂膠粘劑提供可靠的參考數(shù)據(jù)[3]。杜姝婧，龔文化，許亞洪通過DMA 法對(duì)環(huán)氧樹脂的耐熱性能進(jìn)行了深入分析，通過分析得出環(huán)氧樹脂膠粘劑的最佳固化方案以及應(yīng)用參數(shù)，延長(zhǎng)了其使用年限[4]。劉攀，劉譽(yù)貴，郝增恒等人以不同的環(huán)境條件為變量，分析了鋼橋面鋪裝用環(huán)氧樹脂膠粘劑的多種性能，從多個(gè)方面證明了膠粘劑的優(yōu)越性能[5]。馬志波等人[6]提出E-44 環(huán)氧樹脂和熱解溫度對(duì)硅橡膠陶瓷附著力的影響，分析E-44 環(huán)氧樹脂和熱解溫度，改進(jìn)E-44環(huán)氧樹脂，生成更多的SiO2-B2O3玻璃，提高粘接強(qiáng)度。奧利瓦，拉法爾[7]研究了環(huán)氧樹脂組合劑的阻燃性能，即耐燃性力學(xué)性，提高組合劑的性能。

結(jié)合研究經(jīng)驗(yàn)，以環(huán)氧樹脂液體膠粘劑作為研究對(duì)象，在不同的參數(shù)條件下，針對(duì)其中的耐高溫性能進(jìn)行分析，以期為環(huán)氧樹脂液體膠粘劑的具體應(yīng)用場(chǎng)合提供參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為方便測(cè)試不同參數(shù)條件下環(huán)氧樹脂液體膠粘劑的耐高溫性能以及保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，環(huán)氧樹脂液體膠粘劑需要進(jìn)行制備[8]。制備所需要的主要實(shí)驗(yàn)材料如下表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料Table 1 The experimental materials

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

性能測(cè)試中，所需要的主要實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備如下表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備Table 2 The experimental apparatus and equipment

2 環(huán)氧樹脂液體膠粘劑制備

結(jié)合表1 制備材料以及表2 實(shí)驗(yàn)儀器制備環(huán)氧樹脂液體膠粘劑。制備過程如下：

步驟1：在KQ5200B 型超聲波清洗器中加入乙醇，清洗膠粘劑制備過程所需的容器，并利用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥處理，保證容器的清潔度，避免對(duì)膠粘劑性能造成干擾[9]。

步驟2：利用電子天平稱取環(huán)氧樹脂并放入燒杯中。

步驟3：利用電子天平稱取15%的活性稀釋劑30g，并放入裝有E-44 環(huán)氧樹脂的燒杯當(dāng)中。

步驟4：將裝有材料的燒杯放入到數(shù)顯恒溫水浴加熱鍋當(dāng)中，并加熱到40℃。

步驟5：在40℃恒溫下，利用攪拌器攪拌10min，直至活性稀釋劑與E-44 環(huán)氧樹脂完全發(fā)生反應(yīng)，得到環(huán)氧樹脂液體。

步驟6：在環(huán)氧樹脂液體中加入20%的4,4’—二氨基二苯甲烷，室溫下攪拌5min。

步驟7：在液體中加入不同種類的改性劑，分別為聚芳醚腈、碳硼烷以及聚氨酯，制成不同類型的環(huán)氧樹脂液體膠粘劑[10]。

步驟8：在20℃恒溫下，利用精密增力電動(dòng)攪拌器勻速攪拌20min，同時(shí)，加入酚醛胺固化劑。

步驟9：將最終得到的環(huán)氧樹脂液體膠粘劑放置陰涼處，等待冷卻，得到糊狀膠1 劑。

步驟10：利用錐板式黏度計(jì)測(cè)試膠粘劑的黏度，保證其質(zhì)量。

經(jīng)過上述過程制得環(huán)氧樹脂液體膠粘劑，用于后續(xù)分析。

3 耐高溫性能測(cè)試

基于上述章節(jié)制得的環(huán)氧樹脂液體膠粘劑，本章節(jié)進(jìn)行耐高溫性能測(cè)試，具體過程如下圖1 所示。

在圖1 耐高溫性能測(cè)試流程中，主要包括兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，粘接試件制備以及高溫測(cè)試[11]。下面針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行具體分析。

圖1 耐高溫性能測(cè)試流程Fig. 1 The high temperature resistance test process

3.1 粘接試件制備

粘接試件是利用環(huán)氧樹脂液體膠粘劑粘接在一起的試驗(yàn)樣品。粘接試件制備過程如下：

步驟1：選取兩塊型號(hào)為316L 的不銹鋼鋼塊。

步驟2：對(duì)316L 不銹鋼鋼塊進(jìn)行打磨處理，增加粘接面的粗糙度[12]。

步驟3：用丙酮擦拭干凈不銹鋼塊粘接面。

步驟4：將環(huán)氧樹脂液體膠粘劑均勻涂在一塊鋼板粘接面上，中間厚，邊緣薄。將其與另一塊打磨好的不銹鋼交錯(cuò)粘接在一起，并用手錘沿粘貼面輕輕敲擊鋼塊，增加粘接強(qiáng)度，如圖2 所示。

圖2 粘接試件Fig. 2 The bonding specimen

步驟5：利用干燥箱對(duì)粘接試件進(jìn)行固化。

步驟6：取出粘接試件，等待降至室溫，用于后續(xù)性能測(cè)試。

3.2 高溫測(cè)試

環(huán)氧樹脂液體膠粘劑耐高溫性能主要從兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，一是分析膠粘劑本體的黏度以及熱重[13]。二是不同高溫下，通過拉伸試驗(yàn)測(cè)試試件的拉伸剪切強(qiáng)度，強(qiáng)度越大，環(huán)氧樹脂液體膠粘劑越耐高溫[14]。下面針對(duì)上述兩點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

（1）膠粘劑本體高溫測(cè)試

1）高溫下黏度測(cè)試

膠粘劑本體的黏度值可以通過數(shù)顯旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)直接測(cè)定。

將環(huán)氧樹脂液體膠粘劑利用數(shù)顯恒溫水浴加熱鍋進(jìn)行高溫加熱，然后將儀器上的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子緩慢地下降并浸入到膠粘劑當(dāng)中[15]。最后接通電源，讓旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子在膠粘劑當(dāng)中旋轉(zhuǎn)起來，通過扭矩傳感器得出黏度數(shù)據(jù)，并通過顯示器顯示結(jié)果。

2）高溫下熱重測(cè)試

熱重測(cè)試的主要設(shè)備為熱綜合分析儀，主要用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組分[16]。

測(cè)試過程如下：

步驟1：取環(huán)氧樹脂液體膠粘劑5mg 放置于儀器的樣品室內(nèi)。

步驟2：以50mL/min 的速率通入氣體。

步驟3：程序控溫，以一定的升溫速率（5℃/min）達(dá)到100℃，之后在100℃保溫5～10min。

步驟4：以相同的升溫速率從100℃升溫至500°。

步驟5：計(jì)算表觀分解溫度以及溫度指數(shù)。計(jì)算公式如下：

表觀分解溫度C1：

溫度指數(shù)C2：

式中，A代表失重15%對(duì)應(yīng)的溫度；B代表失重50%對(duì)應(yīng)的溫度；D代表功能性系數(shù)，取值2.14。

3）基于連接強(qiáng)度的試件高溫測(cè)試

試件的高溫測(cè)試主要是測(cè)試應(yīng)用環(huán)境下膠粘劑的耐高溫性能。該性能主要通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得的粘接處的連接強(qiáng)度。抗拉伸力度越大，說明試件粘接得越牢固，膠粘劑耐高溫性能越強(qiáng)，也就是不會(huì)在高溫環(huán)境下降低粘接性能[17]。試件的高溫測(cè)試主要通過拉力試驗(yàn)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

通過上述三種測(cè)試，全面分析環(huán)氧樹脂液體膠粘劑耐高溫性能。

4 結(jié)果與分析

4.1 高溫下熱重測(cè)試結(jié)果

100～500℃高溫環(huán)境下，測(cè)得的表觀分解溫度以及溫度指數(shù)，結(jié)果如下圖3 和圖4 所示。

圖3 表觀分解溫度Fig. 3 The apparent decomposition temperature

圖4 溫度指數(shù)Fig. 4 The temperature index

從圖3 和圖4 結(jié)果可知：碳硼烷-環(huán)氧樹脂膠粘劑的表觀分解溫度、溫度指數(shù)最高，其次是聚芳醚腈-環(huán)氧樹脂膠粘劑，最后是聚氨酯-環(huán)氧樹脂膠粘劑。從熱重分析角度，碳硼烷-環(huán)氧樹脂膠粘劑最能抵抗高溫，組成物質(zhì)最不易分解，越能保有其粘接性能。

4.2 基于連接強(qiáng)度的試件耐高溫測(cè)試結(jié)果

用拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件的粘接強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下圖5 所示。

圖5 基于連接強(qiáng)度的試件耐高溫測(cè)試結(jié)果Fig. 5 The test results of high temperature resistance of specimens based on bonding strength

從圖5 中可以看出，聚芳醚腈-環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接的試件的連接強(qiáng)度為8.825MPa，這時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為800℃，說明當(dāng)處于800℃時(shí)，施加8.825MPa拉伸力，粘接的試件被拉開，而其它兩種膠粘劑粘接的試件被拉開時(shí)，溫度和連接強(qiáng)度都較低，由此說明聚芳醚腈-環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接耐高溫性能較強(qiáng)。

綜合上述三種測(cè)試結(jié)果，前兩種對(duì)膠粘劑本體進(jìn)行高溫測(cè)試結(jié)果是一致的，都是碳硼烷-環(huán)氧樹脂膠粘劑耐高溫性更好，但是最后的測(cè)試以連接強(qiáng)度來判斷試件耐高溫性，則與其他性能測(cè)試存在差異，說明膠粘劑的耐高溫性會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出與本體不同的耐高溫性能，這可能與粘接的試件材料、粘接工藝等各種因素有關(guān)，說明在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該考慮各種因素，各種應(yīng)用場(chǎng)合，選擇合適的膠粘劑。

5 結(jié)束語

綜上所述，環(huán)氧樹脂制成的膠粘劑在很多領(lǐng)域都發(fā)揮重要的作用。這種膠粘劑成本低廉，常溫下黏度高，是很多粘接環(huán)節(jié)的首選材料。然而，這種膠粘劑并不耐高溫，隨著溫度升高，粘接強(qiáng)度會(huì)急劇降低，因此為改進(jìn)此方面，出現(xiàn)了很多合成的膠粘劑。在此背景下，本研究選取常用的三種環(huán)氧樹脂液體膠粘劑從不同方面進(jìn)行耐高溫性能測(cè)試，對(duì)比分析了不同膠粘劑的耐高溫程度，其中碳硼烷-環(huán)氧樹脂膠粘劑的表觀分解溫度、溫度指數(shù)最高，達(dá)到850.3℃和23.54℃，其他兩種環(huán)氧樹脂膠粘劑在此方面的性能均低于碳硼烷-環(huán)氧樹脂膠粘劑。從熱重分析角度，碳硼烷-環(huán)氧樹脂膠粘劑最能抵抗高溫，組成物質(zhì)最不易分解，越能保有其粘接性能。同時(shí)，聚芳醚腈-環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接的試件的連接強(qiáng)度為3.87MPa，這時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為800℃，其耐高溫性能強(qiáng)。然而，本研究?jī)H針對(duì)在相同質(zhì)量改性劑下的膠粘劑耐高溫性能進(jìn)行測(cè)試，而沒有測(cè)試不同質(zhì)量改性劑下的膠粘劑耐高溫性能，因?yàn)橘|(zhì)量的不同可能會(huì)直接影響膠粘劑耐高溫性能。針對(duì)上述這一點(diǎn)，有待進(jìn)一步深入研究與分析。