鋁合金機(jī)械裝備表面專用的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑性能研究

摘 要：金屬材料的粘接是機(jī)械領(lǐng)域設(shè)備加工、維護(hù)等環(huán)節(jié)中經(jīng)常出現(xiàn)的工藝操作，在傳統(tǒng)的金屬表面粘接過程中使用的粘膠劑粘接性能和耐老化性能有限，需要在進(jìn)行金屬粘接時(shí)對金屬粘接界面進(jìn)行非常精細(xì)的物化處理。研究以鋁合金機(jī)械裝備表面粘接為例，制備了一種環(huán)氧樹脂膠粘劑，以聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性E-51型環(huán)氧樹脂，對該膠粘劑進(jìn)行改性并對該膠粘劑的綜合性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)該金屬專用環(huán)氧樹脂膠中的增韌劑含量為15份時(shí)，膠粘劑的剝離強(qiáng)度可以達(dá)到7.08 N/cm，剪切強(qiáng)度可以超過17.68 MPa，此時(shí)膠粘劑的綜合性能最佳。

關(guān)鍵詞：聚酯丙烯酸酯樹脂；增韌改姓；環(huán)氧樹脂膠粘劑；鋁合金界面

中圖分類號(hào)：TQ437+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）11-0026-04

Propertystudy of modifiedepoxy resin adhesive dedicatedfor aluminum alloy mechanical equipment surface

LIU Dongli

（Dongying Vocational Institute，Dongying 257091，Shandong China

）

Abstract：Bonding of metal materials is a process operation that often occurs in the mechanical field of equipment processing，maintenance and other aspects of the process.The adhesive used in the traditional metal surface bonding process has limited adhesive properties and aging resistance，and requires very fine physical and chemical treatment of the metal bonding interface when metal bonding is carried out.In this study，aluminum alloy mechanical equipment surface bonding was taken as an example，an epoxy resin adhesive was prepared.The adhesive was modified by using polyester acrylate resin toughened modified E51 epoxy resin，and the comprehensive properties of the adhesive were analyzed.The results showed that when the content of toughening agent in this metal-specific epoxy resin adhesive was 15 parts，the peelstrength of the adhesive couldreach 7.08 N/cm，and the shear strength couldexceed 17.68 MPa.In this case，the comprehensive performance of the adhesive was the best.

Key words：polyester acrylate resin;toughening and modification;epoxy resin adhesive;aluminum alloy interface

在傳統(tǒng)的金屬表面粘接過程中所使用的膠粘劑粘接性能和耐老化性能有限，需要在進(jìn)行金屬粘接時(shí)對金屬粘接界面進(jìn)行非常精細(xì)的物化處理，使粘接界面盡可能光滑。然而，這種傳統(tǒng)的金屬粘接表面處理工藝存在操作復(fù)雜、過程繁復(fù)等缺點(diǎn)，某些金屬如鋁合金等在進(jìn)行常見的陽極化處理時(shí)還會(huì)因?yàn)椴馁|(zhì)、構(gòu)造復(fù)雜問題而不具備進(jìn)行陽極化處理的條件［1］。因此，如果能夠盡可能提升膠粘劑自身的綜合性能，將會(huì)極大地提升金屬機(jī)械設(shè)備、裝備、零部件等的粘接效果。研究制備了一種金屬專用的環(huán)氧樹脂膠粘劑，以聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性E-51型環(huán)氧樹脂，對該膠粘劑進(jìn)行改性以提升其剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度等，旨在為金屬專用膠粘劑的發(fā)展提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

環(huán)氧樹脂膠粘劑的制備通常需要用到環(huán)氧樹脂、聚酰胺、芐基-2-甲胺等；環(huán)氧樹脂膠粘劑的增韌改性需要用到聚酯丙烯酸酯樹脂等［2-4］。表1所示為本實(shí)驗(yàn)所需各材料部分參數(shù)及其生產(chǎn)廠家等。

聚酰胺是構(gòu)成膠粘劑中的固化劑的主要成分；芐基-2-甲胺的主要作用為聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性環(huán)氧樹脂提供催化效果。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

對鋁合金機(jī)械裝備表面粘接效果進(jìn)行分析時(shí)，主要需要進(jìn)行改性環(huán)氧樹脂的傅立葉紅外光譜測試、改性環(huán)氧樹脂DSC分析等，需要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有電子恒溫電熱套、增力電動(dòng)攪拌器等［5］。表2所示為本次實(shí)驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其生產(chǎn)廠家信息等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性環(huán)氧樹脂的制備

改性環(huán)氧樹脂的制備過程并不復(fù)雜，在26 ℃環(huán)境下將200 g環(huán)氧樹脂E51加入反應(yīng)器中；按照5～20份的比例將聚酯丙烯酸樹脂加入反應(yīng)器中與環(huán)氧樹脂進(jìn)行混合；對反應(yīng)器進(jìn)行緩慢加熱，并加入0.5 g芐基-2-甲胺，在催化作用下反應(yīng)約2 h時(shí)間以后即可獲得不同聚酯丙烯酸樹脂含量的改性環(huán)氧樹脂［6-8］。

1.2.2 粘接綜合性能測試

（1）粘接綜合性能測試需要首先制備幾種金屬粘接件。將相同材質(zhì)的鋁合金金屬試片準(zhǔn)備好以后，按照100∶??????? 30∶???????? 15的比例在鋁合金表面涂抹不同聚酯丙烯酸樹脂含量的改性環(huán)氧樹脂、600#聚酰胺和Al2O3，然后將2塊鋁合金金屬試片緩慢合攏，在電熱鼓風(fēng)箱作用下進(jìn)行45 ℃的固化，經(jīng)過72 h以后即可得到測試所需的試件；

（2）對測試樣品進(jìn)行傅里葉紅外光譜測試。使用LSPEC 5300型紅外光譜分析儀對粘接以后的測試樣品進(jìn)行紅外測試，將測試樣品充分干燥以后經(jīng)過32次紅外光譜掃描，掃描范圍保持在400～4 000 cm2；

（3）對改性環(huán)氧樹脂開展差示掃描量熱法測試。在氮?dú)猸h(huán)境下，將粘接實(shí)驗(yàn)保持10 ℃/min的速度進(jìn)行升溫至200 ℃，在這一時(shí)期觀察環(huán)氧樹脂膠粘劑的DSC數(shù)據(jù)，包括初始固化溫度和最高峰對應(yīng)的固化溫度等；

（4）對材料的粘接界面微觀形貌、綜合粘接效果等進(jìn)行分析。利用掃描電子顯微鏡觀察試件的粘接界面微觀形貌；利用萬能拉力機(jī)、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)等對試件的粘接剝離強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等進(jìn)行分析，得到增韌劑含量對改性環(huán)氧樹脂粘接強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 傅立葉紅外光譜測試

對改性環(huán)氧樹脂開展傅里葉紅外光譜測試的主要目的，是為了觀察該粘接材料是否發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)［9-12］。表3所示為未改性環(huán)氧樹脂、5份聚酯丙烯酸酯樹脂、10份聚酯丙烯酸酯樹脂、20份聚酯丙烯酸酯樹脂的傅里葉紅外光譜測試結(jié)果對比情況。

由表3可知，從傅里葉紅外光譜測試3 400 cm-1處結(jié)果來看，未改性的環(huán)氧樹脂在該處的寬峰為羥基峰，在添加5份至20份改性材料以后，羥基峰的峰寬明顯變寬且隨著改性材料添加量的提升，峰寬有持續(xù)變寬的趨勢。

從傅里葉紅外光譜測試1 730 cm-1處結(jié)果來看，未改性的環(huán)氧樹脂在該處的寬峰為酯基吸收峰，在添加5份至20份改性材料以后，酯基吸收峰的峰寬也明顯變寬且隨著改性材料添加量的提升，峰寬有持續(xù)變寬的趨勢。

從傅里葉紅外光譜測試1 029 cm-1處結(jié)果來看，未改性的環(huán)氧樹脂在該處存在對稱伸縮振動(dòng)，而在添加5份至20份改性材料以后，這種對稱伸縮振動(dòng)情況明顯更為劇烈，且隨著改性劑添加量的提升這種振動(dòng)量也明顯提升。

從傅里葉紅外光譜測試916 cm-1處結(jié)果來看，未改性的環(huán)氧樹脂在該處的吸收峰較前幾個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)明顯更弱，而改性劑的存在會(huì)使這種吸收峰減弱程度加劇。

可見，聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性劑的存在顯著影響了環(huán)氧樹脂的傅里葉紅外光譜測試結(jié)果，根據(jù)陳澤明等［13］的研究理論，可以認(rèn)定聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性劑與環(huán)氧樹脂發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。

2.2 差示掃描量熱法測試

在利用聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑改性環(huán)氧樹脂時(shí)，需要充分考慮增韌改性劑的添加量、固化劑的類型及升溫速率對最終改性環(huán)氧樹脂粘接初始固化溫度和最高峰對應(yīng)固化溫度的影響［14-16］；表4為差示掃描量熱法測試結(jié)果。

當(dāng)聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑的添加量為0時(shí)，環(huán)氧樹脂膠粘劑的初始固化溫度為50.07 ℃，最高峰對應(yīng)固化溫度為90.08 ℃。這一結(jié)果與一般環(huán)氧樹脂膠粘劑的性能測試結(jié)果一致。

隨著聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量的提升，改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的初始固化溫度呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢，在添加20份增韌劑以后，膠粘劑的初始固化溫度已經(jīng)可以下降至45 ℃左右，較未改性環(huán)氧樹脂膠粘劑初始固化溫度下降約5 ℃，極大地提升了該膠粘劑的實(shí)際應(yīng)用性；而材料最高放熱峰對應(yīng)固化溫度的變化規(guī)律與初始固化溫度的變化規(guī)律基本一致，在添加20份聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時(shí)，最高放熱峰對應(yīng)固化溫度可以下降約2.3 ℃。

2.3 粘接界面微觀形貌

利用環(huán)氧樹脂膠粘劑對鋁合金機(jī)械設(shè)備、零件進(jìn)行粘接時(shí)，粘接界面微觀形貌過于光滑的問題始終難以解決。如果粘接界面微觀形貌過于光滑往往表示粘接強(qiáng)度不足等。圖1所示是聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑改性環(huán)氧樹脂時(shí)粘接界面微觀形貌變化情況，其中a、b、c、d、e分別對應(yīng)聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑0份、5份、10份、15份和20份。

顯然，當(dāng)環(huán)氧樹脂膠粘劑中不添加聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時(shí)，粘接界面微觀形貌極為光滑，只有極少數(shù)部分存在一定的不規(guī)則、不平整；隨著增韌劑添加量的提升，粘接界面微觀形貌的規(guī)則性越來越明顯，當(dāng)聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量達(dá)到20份時(shí)，材料粘接界面微觀形貌已經(jīng)展現(xiàn)出極為明顯的顆粒感，而這些不規(guī)則突起、顆粒能夠?yàn)榻饘倭悴考峁└蟮恼辰訌?qiáng)度。

2.4 剝離強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度

剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度能夠直接反映某種粘接材料的粘接效果。本文使用萬能拉力機(jī)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)等對鋁合金試件的剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試，得到表5所示增韌劑添加量對環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接強(qiáng)度的影響規(guī)律。

由表5可知，當(dāng)未添加聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時(shí)，環(huán)氧樹脂膠粘劑的剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度僅0.46 MPa、9.66 MPa，剝離強(qiáng)度過低這一問題與上述未添加聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時(shí)環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接界面微觀形貌過于光滑的這一結(jié)果相呼應(yīng)。

當(dāng)聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量逐漸提升時(shí)，環(huán)氧樹脂膠粘劑的剝離強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提升后下降的變化狀態(tài)，在增韌劑添加量為15份時(shí)，環(huán)氧樹脂膠粘劑的剝離強(qiáng)度達(dá)到最高值7.08 MPa；剪切強(qiáng)度的變化狀態(tài)與剝離強(qiáng)度的變化狀態(tài)略有不同，整體呈現(xiàn)出不斷提升變化狀態(tài)，在增韌劑添加量為15份時(shí)達(dá)到最高值17.79 MPa，但與增韌劑添加量15份時(shí)的差距很小。

整體來看，當(dāng)聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量為15份時(shí)，改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的剝離強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度分別可達(dá)7.08、17.68 MPa，為幾組中最佳。

3 結(jié)語

（1）聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑的存在可以明顯降低改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的初始固化溫度，增韌劑添加量越高則初始固化溫度越低。在進(jìn)行金屬機(jī)械零部件粘接時(shí)，初始固化溫度和最終固化溫度的降低能夠使粘接條件更為寬松，降低金屬機(jī)械零部件的粘接難度;

（2）聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量的提升會(huì)明顯改變粘接界面微觀形貌，增韌劑添加量越高則粘接界面微觀形貌越粗糙，而粗糙的粘接界面微觀形貌無疑表示改性環(huán)氧樹脂膠粘劑具有更好的粘接效果;

（3）聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑能夠明顯提升改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的剝離強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度。綜合來看，盡管添加15份聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時(shí)環(huán)氧樹脂膠粘劑的剪切強(qiáng)度略低于20份聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑，但此時(shí)環(huán)氧樹脂膠粘劑的剝離強(qiáng)度優(yōu)勢更為明顯。因此，添加15份聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時(shí)環(huán)氧樹脂膠粘劑的粘接強(qiáng)度更高。

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收稿日期：2023-06-16；修回日期：2023-09-22

作者簡介：劉東利（1975-），男，碩士，副教授，研究方向：機(jī)電、機(jī)械；E-mail：272541555@qq.com。

引文格式：劉東利.鋁合金機(jī)械裝備表面專用的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑性能研究［J］.粘接，2023，50（11）：26-29.