填料和固化劑對環(huán)氧膠黏劑的影響研究

徐曉芳

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 大同高速公路分公司，山西大同 037000）

環(huán)氧樹脂材料最早由德國科學(xué)家合成，直到多年后，因其和胺類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而具有高強(qiáng)度的粘接性能而引起科研人員的重視。1923年，英國科學(xué)家首次將其用于路面修補(bǔ)粘接材料，美國多家公司同時(shí)將環(huán)氧膠黏劑工業(yè)化生產(chǎn)，推動(dòng)了環(huán)氧樹脂膠黏劑在各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用。我國對環(huán)氧樹脂的研究始于20世紀(jì)50年代，上海和沈陽兩地的科研人員首先研制成功，我國環(huán)氧樹脂于1958年開始工業(yè)化生產(chǎn)，隨后我國又研發(fā)出了具有特殊性能的改性環(huán)氧樹脂[1-2]。

辛社偉等[3]用滑石粉和納米蒙脫土對水下環(huán)境使用環(huán)氧樹脂材料改性，提高其水下環(huán)境固化強(qiáng)度50%以上。鄺亞力等[4]通過環(huán)氧樹脂材料中添加納米二氧化硅和石英砂，提高環(huán)氧樹脂材料的抗沖磨性能，較普通環(huán)氧樹脂材料其抗沖磨性能提高22%。李文超等人[5]通過不同秸稈材料改性環(huán)氧樹脂提高其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。李晴等[6]通過廢電木粉改性環(huán)氧樹脂，改性后的環(huán)氧樹脂材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度較純環(huán)氧樹脂均有很大的提升，但改性后的環(huán)氧樹脂材料的熱穩(wěn)定性有所降低。

本文研究了環(huán)氧膠黏劑A 組分中兩種不同種類的填料（硅微粉和粉煤灰）及每種填料不同填量（相對于環(huán)氧樹脂150%、170%、190%、210%和230%）情況下，分別使用不同種類的固化劑（固化劑1622T 和固化劑T5）進(jìn)行粘接情況下鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

a）E-51 環(huán)氧樹脂（EP） 工業(yè)級，藍(lán)星化工新材料股份有限公司。

b）硅微粉 工業(yè)級，譽(yù)文硅微粉制品有限公司。

c）粉煤灰 工業(yè)級，太原鋼鐵集團(tuán)有限公司。

d）固化劑1622T 工業(yè)級，北京金島奇士材料科技有限公司。

e）固化劑T5 工業(yè)級，化工市場采購。

1.2 試驗(yàn)儀器

a）FS-0.4 型號試驗(yàn)用高速分散機(jī) 億利化工機(jī)械制造有限公司。

b）CMT4304 型號30 kN 量程微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī) 美特斯（中國）有限公司。

1.3 制備工藝

A 組分中環(huán)氧樹脂、填料按表1 配比混合，用高速分散機(jī)攪拌至整體均勻一致；B 組分按比例加入到已經(jīng)攪拌均勻的A 組分中，高速分散機(jī)分散至膠體均勻細(xì)膩，然后真空脫泡。

1.4 試驗(yàn)制備及測試

按照GB 7124—2008要求制備空氣中固化的拉伸剪切試件，鋼片的粘接面長度為12.5 mm，寬度為25 mm，室溫養(yǎng)護(hù)7 d。

2 結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能

通過CMT4304 型號30 kN 量程微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試試件拉伸抗剪強(qiáng)度如圖1。

圖1 試件拉伸抗剪強(qiáng)度

圖1 中1 號為A 組分填料是硅微粉，B 組分所用固化劑為1622T，其固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度隨著硅微粉填量的增大呈先增大后減小的趨勢，鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度在硅微粉相對填量為190%時(shí)最大；2 號為A組分填料為粉煤灰，B 組分所用固化劑為1622T，其固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度整體隨著粉煤灰填量的增大而減小，在粉煤灰相對填量為150%～170%時(shí)下降速度最快，粉煤灰相對填量為190%～230%時(shí)，鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度呈緩慢的線性下降趨勢；3 號為A 組分填料是硅微粉，B 組分所用固化劑為T5，其固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度隨著硅微粉填量的增大呈先增大后減小的趨勢，鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度在硅微粉相對填量為210%時(shí)最大，硅微粉相對填量為210%～230%時(shí)，其鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度下降較快；4 號為A 組分填料是粉煤灰，B 組分所用固化劑為T5，其固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度在粉煤灰的相對填量為150%～190%時(shí)基本不變，粉煤灰的相對填量為190%～210%時(shí)鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度下降較快。

2.2 填料影響分析

硅微粉和粉煤灰性質(zhì)如表2。

表2 硅微粉和粉煤灰性質(zhì) 單位：g/cm3

因硅微粉主要成分為SiO2，其成分單一、均勻，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所以當(dāng)硅微粉填量為150%～230%時(shí)，環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度規(guī)律性較好，基本呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；粉煤灰主要成分復(fù)雜，其主要成分中Al2O3、FeO、Fe2O3均為金屬氧化物，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在堿性條件下易生成相應(yīng)的金屬氫氧化物，且FeO 容易被繼續(xù)氧化為Fe2O3，從而影響粉煤灰的整體性能，所以當(dāng)粉煤灰填量為150%～230%時(shí)，環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度規(guī)律性較差。硅微粉和粉煤灰的密度對環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度同樣具有重要作用，硅微粉密度相對于粉煤灰密度較大，同樣質(zhì)量的硅微粉和粉煤灰，粉煤灰相對于硅微粉的體積更大，二者相對于環(huán)氧樹脂具有相同的質(zhì)量比，但粉煤灰相對于環(huán)氧樹脂的體積比遠(yuǎn)大于硅微粉相對于環(huán)氧樹脂的體積比，結(jié)合其填量為150%～230%時(shí)，環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度整體呈下降趨勢，可以推測繼續(xù)減小粉煤灰填量時(shí)，其整體也為先增大后減小規(guī)律，環(huán)氧膠黏劑固化物最大鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度需要繼續(xù)減小粉煤灰填量才能出現(xiàn)。

2.3 固化劑的影響分析

固化劑1622T 和固化劑T5 的主要性質(zhì)如表3。

表3 兩種固化劑的主要性質(zhì) 單位：mPa·s

固化劑對環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度影響較復(fù)雜，該研究僅從固化劑的主要成分和黏度方面分析其對環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。改性脂肪胺分子鏈為直鏈型，因其直鏈分子空間位阻較小而更容易與環(huán)氧樹脂結(jié)合，固化反應(yīng)更徹底，而改性酚醛胺分子中存在的苯環(huán)，大分子的苯環(huán)會(huì)阻礙其與環(huán)氧樹脂的化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)的結(jié)合，固化反應(yīng)較難進(jìn)行，因此固化劑1622T 固化的環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度更高。黏度方面固化劑1622T 具有更低的黏度，相對于固化劑T5 其更容易與環(huán)氧材料拌合均勻，從而固化反應(yīng)進(jìn)行得更徹底，因此固化劑1622T 相對于固化劑T5 對環(huán)氧膠黏劑固化物具有更高的鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文研究了環(huán)氧膠黏劑A 組分中兩種不同種類的填料及每種填料不同填量情況下，分別使用不同種類的固化劑進(jìn)行粘接情況下鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度，得到如下結(jié)論：

a）硅微粉填量為150%～230% 時(shí)，采用固化劑1622T 和固化劑T5 兩種情況下，環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度基本呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；而粉煤灰填量為150%～230%時(shí)，采用固化劑1622T和固化劑T5 兩種情況下，環(huán)氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度呈下降的趨勢。

b）硅微粉成分單一，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，粉煤灰成分復(fù)雜，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，硅微粉作為填料的環(huán)氧樹脂固化物的力學(xué)性能高于粉煤灰作為填料的環(huán)氧樹脂固化物；粉煤灰密度小于硅微粉密度，粉煤灰具有更大的孔隙率和表面積，其作為環(huán)氧樹脂填料時(shí)，最大力學(xué)性能時(shí)的填量小于硅微粉最大力學(xué)性能的填量。

c）固化劑1622T 分子空間位阻較小，且其黏度較小，相對于固化劑T5，固化劑1622T 與環(huán)氧樹脂材料固化反應(yīng)更徹底，固化劑1622T 對環(huán)氧膠黏劑固化物具有更高的鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度。