室溫固化環氧膠粘劑的研制和改性

呂 青，顏紅俠（西北工業大學理學院，陜西 西安 710129）

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室溫固化環氧膠粘劑的研制和改性

呂 青，顏紅俠
（西北工業大學理學院，陜西 西安 710129）

摘要：以環氧E-51、聚酰胺651、促進劑DMP-30、溶劑苯甲醇、偶聯劑KH-560為原料，制備了一種室溫固化的高粘接性膠粘劑。研究了DMP-30和苯甲醇用量對膠粘劑粘接性能的影響，并用氧化石墨烯對環氧膠粘劑進行增韌改性。結果表明，DMP-30和苯甲醇的用量分別為15%和20%時，膠粘劑的剪切強度最高。另外，氧化石墨烯對環氧膠粘劑有明顯的增韌效果，用量為0.6%時，膠粘劑的剪切強度最高，達到25.81 MPa，比未添加時提高了34.3%。

關鍵詞：環氧膠粘劑；室溫固化；氧化石墨烯

環氧樹脂膠粘劑具有粘接性能好、力學性能高、收縮性小、穩定性好等優點，被廣泛應用到航天、航空、汽車、電子等領域［1］。室溫固化環氧膠粘劑由于省時、省力、省工、適用性強等優點，長期以來被廣泛關注［2］。

本文以環氧E-51、聚酰胺651、促進劑DMP-30、溶劑苯甲醇、偶聯劑KH-560為原料，制備出一種室溫固化的高粘接性膠粘劑。探討了DMP-30和苯甲醇用量對膠粘劑剪切強度的影響，并研究了氧化石墨烯對環氧膠粘劑的增韌改性作用。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

環氧E-51、聚酰胺651，工業級，無錫樹脂廠；2，4，6-三（二甲氨基甲基）苯酚（DMP-30），常州億佳新材料科技有限公司；苯甲醇，分析純，天津市河東區紅巖試劑廠；KH-560，分析純，荊州市江漢精細化工有限公司；氧化石墨烯，實驗室自制。

1.2 實驗儀器

CMT7204型電子萬能試驗機，深圳新三思計量技術有限公司；VEGA3型掃描電子顯微鏡，捷克泰思肯；一般實驗室儀器。

1.3 制備方法

1.3.1 膠粘劑的制備

稱取一定量的環氧E-51、聚酰胺651，混合后加入苯甲醇、KH-560和DMP-30，充分攪拌混合均勻，然后在真空干燥箱中抽氣泡。

1.3.2 粘接試樣制備

先用800目砂紙打磨45#鋼片的表面，再用二甲苯擦去金屬表面的污物，然后用丙酮清洗2次。在2塊鋼片表面分別均勻涂一層環氧膠，搭接，用鐵夾固定，放在25 ℃烘箱中固化24 h。

1.3.3 性能測試

拉伸剪切強度根據GB/T 7124—2008，采用電子萬能試驗機進行測試，速度5 mm/min。

澆筑體的沖擊試樣斷面噴金處理后采用掃描電子顯微鏡進行斷口形貌分析。

2 結果與討論

2.1 DMP-30用量對膠粘劑剪切強度的影響

DMP-30是一種最具代表性的環氧樹脂促進劑，能使固化溫度降低，固化速度明顯加快。圖1為DMP-30用量對膠粘劑剪切強度的影響。

圖1　DMP-30用量對膠粘劑剪切強度的影響Fig.1 Effect of DMP-30 content on shear strength of adhesive

由圖1可以看出，隨著促進劑用量的增加，剪切強度呈先增后減的趨勢。在不添加促進劑時，反應比較慢，難以生成較高交聯密度的樹脂。而加入促進劑后，固化速度大大加快，交聯密度增加，剪切強度提高。DMP-30用量為15%時，剪切強度最大，達到19.39 MPa。當促進劑用量過多時，反應速度過快導致局部反應劇烈，易形成應力缺陷，因此粘接強度會有所降低。

2.2 苯甲醇用量對膠粘劑剪切強度的影響

由于環氧膠粘劑通常黏度較大，施工性能差，因此常需要加入稀釋劑來改善其施工性能。非活性稀釋劑與樹脂僅是機械混合，相容性差，主要起降低膠粘劑黏度的作用。它在膠液固化過程中大部分是揮發掉的。而常用的活性稀釋劑揮發性大，毒性大且成本較高［3］。苯甲醇價格低廉，本身無毒，不易揮發，同時能夠與環氧樹脂很好地相容，不會產生遷移，可以用于改善環氧膠粘劑的黏度。圖2為苯甲醇用量對膠粘劑剪切強度的影響。

圖2　苯甲醇用量對膠粘劑剪切強度的影響Fig.2 Effect of benzyl alcohol content on shear strength of adhesive

由圖2可以看出，隨著苯甲醇用量的增加，膠粘劑的剪切強度先增后減。添加一定量的苯甲醇，剪切強度會有所提升。當添加量達到20%時，剪切強度最大，達到19.81 MPa，與未添加時相比，剪切強度提高了84.8%。如此大幅提升主要歸因于2個方面：一是苯甲醇的引入降低了膠粘劑的黏度，使得氣泡容易去除，固化物中氣泡形成的應力集中點明顯減少，因此環氧樹脂的力學性能有所提高；二是苯甲醇在交聯的樹脂中以小分子形式存在，能起到類似增塑劑的作用，從而提高固化物的韌性［4］。但隨著苯甲醇用量的進一步增加，會影響環氧樹脂的交聯反應，導致交聯密度降低，因而膠粘劑的粘接性能下降。

2.3 氧化石墨烯對膠粘劑的增韌改性

未改性的環氧-胺體系固化產物較脆，容易開裂，通常需要對其進行增韌，以達到實際應用的要求。納米粒子增韌環氧樹脂是一種常用的方法，如納米SiO［5］、納米TiO［6］、

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2納米AlO［7］、碳納米管［8］等都被廣泛用于環

23氧樹脂的增韌改性。氧化石墨烯作為一種力學性能優異且含有大量活性官能團的碳材料，可有效改善聚合物的力學性能［9，10］。氧化石墨烯用量對膠粘劑性能的影響見圖3、圖4。

圖3　氧化石墨烯用量對膠粘劑剪切強度的影響Fig.3 Effect of graphene oxide content on shear strength of adhesive

圖4　氧化石墨烯不同添加量的膠粘劑沖擊斷面SEM照片Fig.4 SEM images of impact fracture cross section of adhesives with 0wt% and 0.2% graphene oxide

由圖3可知，隨氧化石墨烯添加量的增加，剪切強度呈先增后減的趨勢。當添加量小于0.6%時，由于氧化石墨烯具有極大的比表面積，能使基體樹脂裂紋擴展受阻和鈍化，吸收能量，起到增韌的作用［11］。同時，氧化石墨烯表面存在大量含氧官能團，可以與樹脂產生較強的界面結合作用，因此膠粘劑的剪切強度會明顯提升。而當添加量大于0.6%時，氧化石墨烯容易團聚，易形成應力集中區，因此剪切強度下降。從圖4可以看到，未添加氧化石墨烯的環氧固化物其沖擊斷面整體上較為平整，裂紋方向單一且未出現明顯凹坑，表現為典型的脆性斷裂特征。而僅僅添加0.2%的氧化石墨烯后，沖擊斷面就會發生明顯的變化，裂紋呈褶皺狀，裂紋方向趨于無序，表明斷裂機制由脆性斷裂轉為韌性斷裂，說明氧化石墨烯起到了增韌效果［12］。

3 結論

（1）以環氧E-51、聚酰胺651、促進劑DMP-30、溶劑苯甲醇、偶聯劑KH-560為原料，制備出一種室溫固化的高粘接性膠粘劑，DMP-30和苯甲醇用量分別為15%和20%時，膠粘劑的剪切強度最高。

（2）在環氧膠粘劑中添加氧化石墨烯可以起到增韌改性的效果，氧化石墨烯用量為0.6%時，膠粘劑的剪切強度最高。

參考文獻

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通訊聯系人：顏紅俠（1967-），女，博士，教授，主要從事功能性高分子復合材料的研究。E-mail：hongxiayan@nwpu.edu.cn。

中圖分類號：TQ433.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2016）07-0031-03

收稿日期：2016-06-01

作者簡介：呂青（1992-），男，碩士研究生。主要研究方向：功能性高分子復合材料的研究。E-mail：429216099@qq.com。

Preparation and toughening of room-temperature curable epoxy adhesive

LV Qing， YAN Hong-xia
（School of Natural and Applied Science， Northwestern Polytechnical University， Xi′an， Shaanxi 710129， China）

Abstract：A kind of room-temperature curable epoxy adhesive with high adhesive properties was prepared using the epoxy resin （E-51）， hardener （polyamide 651）， accelerant （DMP-30）， solvent （benzyl alcohol） and coupling agent （KH-560）. Then， the effects of contents of DMP-30 and benzyl alcohol on the adhesive properties were investigated. And graphene oxide was used to toughen the epoxy adhesive. The experiment results show that the shear strength reaches the maximum value at 15 wt% of DMP-30 and 20 wt% of benzyl alcohol， respectively. Besides， graphene oxide has a significant toughening effect on the epoxy adhesive. The shear strength reaches the maximum value of 25.81 MPa at 0.6 wt% of graphene oxide， increases as much as 34.3% compared to that of epoxy adhesive without graphene oxide containing.

Key words：epoxy adhesive； room-temperature curing； graphene oxide