机械表面处理铝合金粘接用环氧胶黏剂的制备与性能研究

机械表面处理铝合金粘接用环氧胶黏剂的制备与性能研究

杨雯雯 崔震昌

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

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：

[1]朱奕弢,刘平平,蒋锋,方杰,王瑶,季世超,何卫,汤超,刘东,周勇.2024铝合金表面预处理与水性环氧清漆协同防腐作用的配套性探究[J].材料保护,2023,56(11):94-101.

[2]刘东利.铝合金机械装备表面专用的改性环氧树脂胶粘剂性能研究[J].粘接,2023,50(11):26-29.