環(huán)氧膠粘劑拉伸抗剪強度的影響因素研究

林 浩

（山西省交通科技研發(fā)有限公司 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030032）

引 言

環(huán)氧類膠粘劑與固化劑發(fā)生化學反應(yīng)形成環(huán)氧固化物，環(huán)氧固化物具有粘結(jié)強度高、機械性能好、抗腐蝕優(yōu)異及電絕緣性好的優(yōu)點。所以環(huán)氧類膠粘劑被廣泛應(yīng)用于土木建筑加固、汽車及航天器的部件粘接和電子器械的電路封裝中[1～3]。

粘接界面的處理方式和界面環(huán)境是影響環(huán)氧膠粘劑粘接強度的重要因素。環(huán)氧膠粘劑與被粘物體間的粘接機理包括機械結(jié)合理論、吸附理論、靜電理論、化學鍵理論和擴散理論等。對于每種粘接機理，基材表面的處理方式和條件均是獲得良好粘接的前提，界面作用在一定程度上也決定粘接效果。另外膠粘劑在基材表面的潤濕程度也是良好粘接強度的前提[4～6]。硅微粉常應(yīng)用于環(huán)氧膠粘劑的改性中，其對環(huán)氧膠粘劑的固化物的力學性能有重要影響。硅微粉分為活性硅微粉和非活性硅微粉，活性硅微粉是將硅微粉偶聯(lián)化處理制成，能使硅微粉與樹脂發(fā)生交聯(lián)，具有表面活性作用，提高樹脂與硅微粉的粘結(jié)力和界面憎水性?；钚怨栉⒎凼菬o毒無味、親油性好的白色粉末，其優(yōu)點是耐酸堿腐蝕、耐溫性好、化學穩(wěn)定性好、硬度大等[7～9]。

本研究對比討論了環(huán)氧膠粘劑中添加活性硅微粉和非活性硅微粉，對環(huán)氧膠粘劑在6種不同粘接界面及空氣中和水下環(huán)境兩種不同粘接環(huán)境粘結(jié)強度的影響規(guī)律。綜合討論了硅微粉、粘接界面處理方式和粘接環(huán)境對環(huán)氧膠粘劑粘結(jié)強度的影響。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

E-51環(huán)氧樹脂，（工業(yè)級），藍星化工新材料股份有限公司；400目活性硅微粉，（工業(yè)級），譽文硅微粉制品有限公司；400目非活性硅微粉，（工業(yè)級），譽文硅微粉制品有限公司；自制腰果酚改性胺類水下用環(huán)氧樹脂固化劑[10]；TYS-145A型氣相二氧化硅，山西天一納米材料科技有限公司；無水乙醇，（分析純），天津市大茂化學試劑廠。

砂紙和砂輪機，化工市場采購；100mm×25mm×1.8mm型C45#鋼片，南京五金有限公司；BH-PS6050E型噴砂機，溫州市百輝機械有限公司；SF0.4分散砂磨兩用機，江陰市雙豐機械有限公司；微機控制電子萬能試驗機；美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司。

1.2 試樣制備及測試

A組分環(huán)氧樹脂、填料和觸變劑按表1配比混合，用高速分散機分散均勻。

表1 各組分比例Table 1 The ratio of adhesive compositions

B組分固化劑合成按照2018年粘接雜志發(fā)表的論文“橋梁加固用腰果酚改性胺類低溫固化劑分子的空間位阻效應(yīng)研究”操作[10]，利用四乙烯五胺、多聚甲醛和腰果酚進行聚合反應(yīng)，投料比例以物質(zhì)的量計，其比例為0.8∶1.0∶0.8，首先多聚甲醛和腰果酚在0℃下冰浴攪拌0.5h后，用滴液漏斗加入四乙烯五胺，溶液的顏色逐漸變淡，隨后反應(yīng)溫度升高至80℃，反應(yīng)3h，減壓蒸餾。砂輪機打磨、砂紙打磨、噴砂機打磨均對鋼片端部處理2cm左右，裸露出嶄新的界面；有機溶劑處理是對鋼片端部3cm左右用乙醇擦拭3遍；鋼片灼燒處理是將鋼片至于馬弗爐內(nèi)500℃高溫3h，然后清理掉表面雜質(zhì)；空白處理未對鋼片表面防腐油層做任何處理。試件制備及測試按照G B/T 7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定》執(zhí)行，對處理的鋼片表面粘接搭接12～18cm?？諝庵泄袒膶嶒?，鋼片表面在干燥條件下涂膠粘接和養(yǎng)護。水下環(huán)境實驗，按照G B/T 50728-2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)》以混凝土為基材濕面施工水下固化型結(jié)構(gòu)膠的安全性鑒定部分制樣及養(yǎng)護。

2 結(jié)果與分析

通過美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司微機控制電子萬能試驗機測試試件力學性能，測試結(jié)果如圖1。

圖1 試件測試結(jié)果Fig.1 Results of all specimens

如圖1所示，填料為活性硅微粉，在空氣中固化的環(huán)氧固化物，相對于其他三組在7種不同的界面處理方式下，力學性能均最優(yōu)，表面活性硅微粉是較優(yōu)填料，且其更適合用于空氣中使用的環(huán)氧膠粘劑的填料。

填料為活性硅微粉，在空氣中固化的環(huán)氧固化物，鋼-鋼拉伸抗剪強度最小組為空白處理組，因其表面有防腐油層，導致環(huán)氧固化物與鋼片表面形成弱界面，其次鋼-鋼拉伸抗剪強度較小組為是砂紙打磨組和噴砂機打磨組，可能的原因是二者打磨力度較小，鋼片表面打磨欠佳，環(huán)氧固化物和鋼片表面存在部分弱界面；砂輪機打磨組和有機溶劑處理組力學性能相似，因其對鋼片表面防腐油層處理程度相同；而鋼片灼燒處理組，力學性能最高，可能是因鋼片灼燒表面除銹比較徹底。

填料為活性硅微粉，在水下環(huán)境固化的環(huán)氧固化物中，噴砂機打磨組、有機溶劑處理組和鋼片灼燒組的鋼-鋼拉伸抗剪強度較小，強度低于空白處理組，可能的原因是三種處理方式，鋼片界面形成的溝槽較小，且防腐油層破壞比較徹底，導致形成水膜隔離層，溝槽小和水膜隔離層雙重作用下，導致其力學性能較小。

填料為非活性硅微粉，在空氣中固化的環(huán)氧固化物中，鋼片灼燒組鋼-鋼拉伸抗剪強度最大，鋼片灼燒表面除銹較徹底；而有機溶劑處理組的環(huán)氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度最低，強度已經(jīng)低于空白處理組。

填料為非活性硅微粉，在水下環(huán)境固化的環(huán)氧固化物中，有機溶劑處理組、鋼片灼燒組和空白處理組的鋼-鋼拉伸抗剪強度較低，可能的原因是此三組界面形成的溝槽較小。

3 結(jié)語

綜上所述，影響環(huán)氧膠粘劑鋼-鋼拉伸抗剪強度的界面因素包括鋼片的防腐油層、鋼片界面打磨溝槽的深度兩個因素，但其在不同的固化環(huán)境，兩個因素的影響程度不同。

填料為活性硅微粉，在空氣中固化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠實驗中，通過灼燒徹底去除鋼片表面的防腐油層，環(huán)氧粘鋼膠固化物的鋼-鋼拉伸抗剪強度力學性能最高，鋼片表面防腐油層膜未做任何處理的空白處理組的環(huán)氧粘鋼膠的固化物的鋼-鋼拉伸抗剪強度力學性能最低，此體系中鋼片油膜去除程度對環(huán)氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度起到主要作用；填料為活性硅微粉，在水下環(huán)境固化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠實驗中，環(huán)氧固化物力學性能較低的為噴砂機打磨組、有機溶劑處理組和鋼片灼燒組，此體系中鋼片溝槽大小對環(huán)氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度起到主要作用。

填料為非活性硅微粉，在空氣中固化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠實驗中，同樣是通過灼燒徹底去除鋼片表面的防腐油層，環(huán)氧粘鋼膠固化物的鋼-鋼拉伸抗剪強度力學性能最高，但鋼片表面未做任何處理的空白組和有機溶劑處理組的環(huán)氧粘鋼膠的固化物的鋼-鋼拉伸抗剪強度力學性能較低，此體系中整體也符合鋼片的油膜對環(huán)氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度起到主要作用的規(guī)律，但有機溶劑處理組規(guī)律出現(xiàn)異常，還需進一步探索。

填料為非活性硅微粉，在水下環(huán)境固化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠實驗中，砂輪機打磨組環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠鋼-鋼拉伸抗剪強度最高，因其溝槽深度最深，而有機溶劑處理、鋼片灼燒和空白處理組的環(huán)氧粘鋼膠的鋼-鋼拉伸抗剪強度較低，因其三者表面未形成溝槽，所以此體系中溝槽深度是影響其環(huán)氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度的重要因素。