北方华安工业集体有限公司, 161046,黑龙江省齐齐哈尔市
摘要:用聚脂丙烯酸酯对E-51型环氧树脂进行了强韧化,600#尼龙作为固化剂,制得了一种常温固化环氧树脂胶。拟采用XPS技术,研究不同增韧剂含量对铝合金粘接温度和粘接性能的影响规律,并利用XPS技术对其进行表征,揭示其在粘接过程中的作用。研究发现,添加15份的环氧树脂胶可获得最佳的粘合效果,其剥离强度分别为6.96 N/cm和17.55 MPa。
关键词:改性环氧树脂;机械表面处理;铝合金粘接
前言
为提高其与铝合金的结合能力,需对其进行表面改性,在其表面生成多孔、致密的氧化物膜,以提高其与铝合金的结合能力。目前,对铝合金进行表面处理的技术较为成熟,主要有机械处理与化学处理。机械加工是指使用砂纸打磨,喷沙,抛光等工艺来达到光亮的效果。这种方法工艺简单,易于操作,但其粘合能力较差。化学处理,特别是阳极氧化,是一种比较理想的铝合金连接方式,已成为一种标准的飞机连接方式。
1环氧胶黏剂
环氧胶黏剂是一种常用的工业用胶黏剂,它以环氧树脂为原料,与各种固化剂混合而成。在受热或加压的情况下,他们会发生化学反应,从而建立牢固的连结。该胶黏剂因其强度高,耐化学腐蚀,耐高温等特点而著称,且其开启时间长,可供用户在焊接前调节及定位。
环氧树脂胶黏剂一般分为单组分和双组分两种。双组分环氧树脂胶黏剂需先将其与固化剂进行混合,单组分环氧树脂胶黏剂将其与固化剂分别储存,涂布完成后利用外界环境(如温度、湿度等)引发化学反应。
本产品适用于金属,塑料,陶瓷,玻璃和其他材料,如涂层,封装,填充等。环氧树脂胶被广泛应用于航空航天设备,汽车配件,电子,建材,复合材料等领域。
2环氧胶黏剂的优点
2.1环氧树脂中包含了大量的极性基团和非常活泼的环氧基,因此,它与许多极性物质,如金属,玻璃,水泥,木材,塑料等,特别是那些表面活性较高的物质,都有很强的粘结力,并且由于环氧树脂本身的内聚力很大,因此,它的粘接强度非常高。
2.2在固化过程中,基本不会生成低分子量的挥发性物质。它的体积收缩很小,只有1%~2%,是固化收缩最小的热固性树脂。添加该填料后,可使其降低至0.2%以内。同时,环氧树脂的线膨胀系数较小。这样就可以减少内应力,从而降低粘接强度。由于环氧树脂具有较低的蠕变性能,因此具有良好的稳定性。
2.3环氧树脂、固化剂和修饰剂种类繁多,经过合理的配方设计,可以获得所需的加工性能(如:快速固化、常温固化、低温固化、水性固化、低粘度、高粘度等),同时还具备一定的工作特性(如:耐高温、耐低温、高强、柔韧、耐老化、导电、导热等)。
2.4可与各种有机物(单体,树脂,橡胶)及无机材料(填料等)具有良好的相容性,可通过共聚合、交联、共混、填充等方法对其进行改性,从而改善橡胶材料的综合性能。
3实验部分
3.1改性环氧树脂的制备
在常温下,将E51型环氧树脂200克和不同配比(5-20份)的聚酯丙烯酸树脂混合均匀后,添加0.5克的苄基2-甲基甲胺作催化剂,慢慢加热到150℃,反应2小时,得到不同含量的改性环氧树脂。
3.2测试样品制备与测试条件
粘合剂的配制:将改性环氧树脂与600#聚酰胺、Al2O3以重量比100∶15的比例混合,均匀地涂布于被粘合物上,再将试样闭合,加压0.01-0.03 MPa,在25℃下固化48小时;傅立叶红外线光谱法(FR-IR):采用VECTOR 22傅立叶红外线分光计(FR-IR)。将待测样品置于溴化钾芯片上,并在其表面形成一层薄的液体薄膜,并在试验之前确保样品充分干燥。每个样品扫描扫描32次,扫描范围400—4000cm-1。
剪切强度测试:使用胶黏剂粘接铝合金试样,按照GB/T7124-2008(硬质材料与硬质材料)的测定方法,试样尺寸为60毫米×20毫米×3毫米,试验速度15毫米/秒。在被粘合材料粘合之前,用80目砂纸对其进行研磨。
剥离强度测试:按照GJB446-1988粘合剂90标准进行。以100±5毫米/秒的速度,使用粘着粘合剂的铝合金试样来测定剥离强度(金属与金属间的)。在粘合之前,用80目砂纸对被粘合材料的表面进行磨光。
4结果与讨论
4.1改性环氧树脂的FT-IR分析
通过对E51-10、E51-20及未经修饰的E51进行红外光谱分析,来判定改性环氧树脂有无交联反应。
E51-10,E51-20的主要官能团和峰均为:C-O对称伸缩振动在1029cm-1明显增强,环氧自由基在916cm-1明显减弱;而在3400 cm~3400cm-1附近为羟基,其宽度随着增韧剂用量的增大而增大,并且在1730cm-1处出现了较宽的吸收峰,说明增韧剂已经与环氧树脂进行了交联。
4.2改性环氧树脂DSC分析
提出了一种新型的环氧树脂基体增强增韧体系。本文采用E51-05,E51-10,E51-15,E51-20,纯环氧树脂与600#(按质量比100:30)共混,测定了纯环氧树脂及不同增韧助剂的DSC光谱。
4.3增韧剂对改性环氧树脂固化物的微观形貌影响
纯环氧树脂的扫描电镜图像是平滑、规整的,没有出现裂纹。添加增韧剂后,固化物表面出现了不规则的银色条纹,并随增韧剂用量的增加而发生显著的改变。其中,E51-20具有最高的修饰度和最高的交联度,所以与其它改性环氧树脂相比,它的银纹形貌发生了显著的改变。
4.4改性环氧树脂类型对其胶黏剂剥离和剪切强度的影响
通过对改性环氧树脂、600#聚酰胺、Al2O3的配比为100:30∶15,用E51粘合砂纸对铝合金进行抛光时,只有9.51 MPa的剪切强度,且剥离强度接近于零。添加量越多,抗拉强度越高,抗剪强度越高,其中E51-15抗拉强度最高,分别为6.96 N/cm和17.55 MPa。与E51-15相比,E51-20的剥离强度有所下降,剪切强度的增幅也有所减小。
4.5改性环氧树脂XPS分析
通过XPS研究了聚酯丙烯酸酯对环氧树脂粘接性能的影响。以E51-15与E51为材料,对未处理过的铝合金进行粘接,测定粘接界面的化学键合组分和含量。
表1不同体系胶黏剂粘接机械表面处理铝合金界面的化学键组成
化学键及含量/% | E51 | E51-15 |
C-H | 19.17 | 16.40 |
C-C | 46.50 | 51.06 |
C-O | 31.30 | 14.65 |
O-C=O | - | 8.80 |
C=O | - | 9.09 |
N-C=O | 3.03 | - |
从表1可以看出,这两个体系的粘合剂化学键中,C-H键和C-C键所占的比例差别不大,其中最显著的差别是C=O和O-C=O。E51-15体系中C=O、O-C=O双键占17.89%,而E51体系中不存在C=O、O-C=O双键,且-C=O基团具有很强的极性,易与铝合金形成良好的界面结合,增强了材料的抗剪切性能。
5结论
(1)利用聚脂丙烯酸酯对E-51型环氧树脂进行强韧化,使其在破坏面上产生银纹状结构,并使其与铝合金之间产生更多的C=O、O-C=O等化学键,使其与铝合金之间产生更大的结合强度,进而改善粘接性能。
(2)添加15份的增韧剂,可以获得最佳的粘合效果,其抗拉强度分别为6.96 N/cm和17.55 MPa。
参考文献:
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