籃球架用硅橡膠膠粘劑的制備與性能研究

靳鐵柱

(西安財經(jīng)大學(xué)行知學(xué)院,陜西西安 710038)

籃球架結(jié)構(gòu)部件的粘接性能一直是衡量籃球架整體質(zhì)量的重要考核指標。隨著全民健身運動的普及以及應(yīng)用環(huán)境的多樣化,目前用于籃球架結(jié)構(gòu)件粘接的硅橡膠膠粘劑需要具有尺寸穩(wěn)定、良好的力學(xué)性能和粘接性能、耐高溫和耐老化等特性[1-2],但是由于目前市面上常見的硅橡膠膠粘劑中通常不含反應(yīng)性功能基團[3-4],在作為籃球架結(jié)構(gòu)件粘接使用時,會由于粘接性能較差等影響其使用壽命,嚴重情況下還會影響正常使用。較為可行的方法是在硅橡膠膠粘劑中添加增粘劑,使其在不降低力學(xué)性能的前提下增強粘接性能,而目前這方面的研究工作較少,具體作用機理也不清楚[5-7]。在此基礎(chǔ)上,本文通過選取市場上常見的增粘劑和自制增粘劑,考察增粘劑類型和添加量對硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能和粘接性能的影響,并優(yōu)化了硅橡膠膠粘劑的固化工藝,結(jié)果有助于新型高粘接性能硅橡膠膠粘劑的開發(fā)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

甲基乙烯基硅橡膠生膠(乙烯基含量為0.17%),浙江恒業(yè)成有機硅有限公司；支鏈型乙烯基硅油(乙烯基含量為3%),安徽艾約塔硅油有限公司；乙烯基硅樹脂(乙烯基含量12%),海南修紅生物化工有限公司；含氫硅油(氫含量0.6%),東莞市樂遠化工科技有限公司；卡式催化劑(鉑含量0.2%),東莞市東晟合成材料有限公司；氣相二氧化硅,上海凱茵化工有限公司；環(huán)己基炔醇抑制劑,鄭州阿爾法化工有限公司。含環(huán)氧基有機硅增粘劑(C,分析純),自制(硅氧烷與含環(huán)氧基的不飽和烴反應(yīng)合成)；γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KН-550,D,分析純),南京全希化工有限公司；γ-(2,3-環(huán)氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷(KН560,E,99%),濟南環(huán)正化工有限公司；γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KН570,F,99%),濟南環(huán)正化工有限公司；3-異氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷(KН910,G,99%),杭州杰西卡化工有限公司。

1.2 試驗儀器

DНG-9003 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,北方利輝試驗儀器設(shè)備有限公司；MS-105 型電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；JJ-1 精密增力電動攪拌器實驗室攪拌機,常州金壇良友儀器有限公司；MTS-810 型液壓伺服電子萬能材料試驗機,美國MTS 公司；TMD250 型導(dǎo)熱材料成型系統(tǒng),焱行科技(上海) 有限公司；LX-D 型邵氏橡膠硬度機,上海雙旭電子有限公司。

1.3 試樣制備

將100 份甲基乙烯基硅橡膠生膠、8 份支鏈型乙烯基硅油、6 份乙烯基硅樹脂、9 份含氫硅油、38 份氣相二氧化硅、0.48 份卡式催化劑、0.2 份抑制劑(摩爾比)和若干增粘劑制成膠料,燒杯中攪拌均勻和消泡后,倒入聚四氟乙烯模具中,在電熱干燥箱中進行一定溫度和保溫時間的加熱固化處理。

1.4 測試

根據(jù) GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》,將硅橡膠制成啞鈴型試樣(標距20mm),在拉力機上進行力學(xué)性能測試,拉伸速率為2mm/min；根據(jù)GB/T 531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法》,對不同類型的硅橡膠進行邵氏硬度測試；根據(jù)GB/T 13936-2014《硫化橡膠與金屬粘接拉伸剪切強度測定方法》,將硫化橡膠與金屬粘結(jié)成拉伸剪切強度測試試樣:厚2mm的5083 鋁合金剪裁成100mm×25mm,打磨后與搭接面為25mm×10mm的硫化橡膠進行粘結(jié),并進行室溫剪切強度測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 增粘劑

表1 為增粘劑對籃球架用硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能的影響,其中,增粘劑A 表示未添加增粘劑的試樣,增粘劑添加量都為2%(wt.)。對比分析可知,未添加增粘劑的A 試樣的抗拉強度、斷后伸長率和硬度分別為4.69MPa、553%和39НA；相較于未添加增粘劑的試樣,添加C、D、E、F 和G 增粘劑硫化后試樣的抗拉強度都有不同程度的提升,而斷后伸長率和硬度變化幅度不大。這主要是因為增粘劑的添加可以改善氣相二氧化硅在基體中的存在形式并促進其與硅橡膠的相容性,增強其與基體的結(jié)合,發(fā)揮補強作用。此外,F 增粘劑試樣的抗拉強度和硬度增加幅度較大,這主要是因為KН570 中含有C-C 雙鍵,在硅橡膠膠粘劑硫化過程中可以提升交聯(lián)密度,使得分子鏈數(shù)量增多并提升其抗拉強度和硬度[8]。

表1 增粘劑對籃球架用硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能的影響Table 1 Effect of tackifier on mechanical properties of silicone rubber adhesive for basketball stand

圖1 為增粘劑對籃球架用硅橡膠膠粘劑粘接性能的影響,分別列出了無增粘劑、單一增粘劑以及復(fù)合增粘劑對硅橡膠膠粘劑試樣剪切強度的影響,增粘劑添加量都為2%(復(fù)合增粘劑中各占50%)。對比分析可知,單一增粘劑(D、E、F、G 和C)以及復(fù)合增粘劑(D+F、E+D、E+F 和E+C)添加的硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度都遠大于未添加增粘劑的試樣。對于單一增粘劑試樣,剪切強度從高至低順序為C>E>F>G>D；對于復(fù)合增粘劑,剪切強度從高至低順序為E+C>E+F>E+D>D+F。單一增粘劑添加得到的最大剪切強度試樣(C 增粘劑)的剪切強度要高于復(fù)合添加增粘劑得到的最大剪切強度試樣(E+C 增粘劑)；在D 增粘劑和F 增粘劑中復(fù)合使用含有環(huán)氧基團的E 增粘劑,E+D 和E+F 試樣的剪切強度也要高于單一D 和單一F 試樣。究其原因,這主要是因為增粘劑C 和增粘劑E 都是含環(huán)氧基團的增粘劑,在硅橡膠膠粘劑制備過程中可以提升金屬與硅橡膠二者的粘結(jié)作用[9],從而提升試樣的剪切強度,且含環(huán)氧基團的C 增粘劑對硅橡膠膠粘劑粘接性能的提升效果最好,后續(xù)需要進一步考察其添加量對硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能和粘接性能的影響。

圖1 增粘劑對籃球架用硅橡膠膠粘劑粘接性能的影響Fig.1 Effect of tackifier on adhesion properties of silicone rubber adhesive for basketball stand

2.2 C 增粘劑含量

表2 為C 增粘劑含量對籃球架用硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能的影響。對比分析可知,當C 增粘劑添加量為0.5%～3.0% 時,添加增粘劑的硅橡膠膠粘劑試樣的抗拉強度都要高于未添加增粘劑的試樣,但是提升幅度都不大,且C 增粘劑添加對試樣的硬度影響也不大。這主要是因為增粘劑的作用是改善氣相二氧化硅在基體中的存在形式,但是在硫化過程中并不會參與交聯(lián)作用,分子鏈數(shù)量并不會明顯改變[10],因此,抗拉強度雖有增加但是并不明顯。

表2 C 增粘劑含量對籃球架用硅橡膠膠粘劑力學(xué)性能的影響Table 2 Effect of tackifier C content on mechanical properties of silicone rubber adhesive for basketball stand

圖2 為C 增粘劑含量對籃球架用硅橡膠膠粘劑粘接性能的影響。可見,隨著C 增粘劑含量從0%增加至3.0%,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,但是當C 增粘劑添加量為2.0% 時,繼續(xù)增加C 增粘劑含量并不會對硅橡膠膠粘劑的剪切強度造成明顯影響。這主要是因為適量增粘劑的添加有助于提升金屬表面與增粘劑中環(huán)氧基團的交互作用[11],并在增粘劑為2.0% 時交互作用已經(jīng)較為充分,繼續(xù)增加增粘劑對二者之間的交互作用并不會產(chǎn)生明顯影響。因此,建議硅橡膠膠粘劑中C 增粘劑添加量為2.0%。

圖2 C 增粘劑含量對籃球架用硅橡膠膠粘劑粘接性能的影響Fig.2 Effect of tackifier C content on adhesion properties of silicone rubber adhesive for basketball stand

2.3 固化溫度和固化時間

圖3 為固化溫度對籃球架用硅橡膠膠粘劑剪切強度的影響,其中,C 增粘劑含量為2.0%、固化時間為30min。可見,當固化溫度為80℃時,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度約為0.86MPa；隨著固化溫度從80℃增加至180℃,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,但是當固化溫度達到150℃時,繼續(xù)提高固化溫度并不會對硅橡膠膠粘劑的剪切強度產(chǎn)生明顯影響。因此,添加C 增粘劑的硅橡膠膠粘劑試樣適宜的固化溫度為150℃。

圖3 固化溫度對籃球架用硅橡膠膠粘劑剪切強度的影響Fig.3 Effect of curing temperature on shear strength of silicone rubber adhesive for basketball stand

圖4 為固化時間對籃球架用硅橡膠膠粘劑剪切強度的影響,其中,C 增粘劑含量為2.0%、固化溫度為150℃。可見,當固化時間為10min 時,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度約為1.03MPa；隨著固化時間從10min增加至120min,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,但是當固化時間達到60min 時,繼續(xù)提高固化時間并不會對硅橡膠膠粘劑的剪切強度產(chǎn)生明顯影響,這主要是因為在較高的固化溫度下作用一段時間后,硅橡膠膠粘劑中的環(huán)氧基團會與金屬發(fā)生交互作用而增大剪切強度,但是超過60min 后,硅橡膠膠粘劑試樣內(nèi)部交聯(lián)反應(yīng)已經(jīng)較為充分,繼續(xù)增加固化時間并不會進一步提升內(nèi)聚強度[12]。因此,添加C 增粘劑的硅橡膠膠粘劑試樣適宜的固化時間為60min。

圖4 固化時間對籃球架用硅橡膠膠粘劑剪切強度的影響Fig.4 Effect of curing time on shear strength of silicone rubber adhesive for basketball stand

3 結(jié)論

(1)未添加增粘劑的A 試樣的抗拉強度、斷后伸長率和硬度分別為4.69MPa、553% 和39НA；相較于未添加增粘劑的試樣,添加C、D、E、F 和G 增粘劑硫化后試樣的抗拉強度都有不同程度的提升,而斷后伸長率和硬度變化幅度不大。對于單一增粘劑(D、E、F、G 和C)試樣,剪切強度從高至低順序為C>E>F>G>D；對于復(fù)合增粘劑,剪切強度從高至低順序為E+C>E+F>E+D>D+F。

(2)當C 增粘劑添加量為0.5%～3.0% 時,添加增粘劑的硅橡膠膠粘劑試樣的抗拉強度都要高于未添加增粘劑的試樣,但是提升幅度都不大,且C 增粘劑添加量為0%～3.0% 時對試樣的硬度影響也不大。隨著C 增粘劑含量從0% 增加至3.0%,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,但是當C 增粘劑添加量為2.0%時,繼續(xù)增加C 增粘劑含量并不會對硅橡膠膠粘劑的剪切強度造成明顯影響。

(3)隨著固化溫度從80℃增加至180℃,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,但是當固化溫度達到150℃時,繼續(xù)提高固化溫度并不會對硅橡膠膠粘劑的剪切強度產(chǎn)生明顯影響。隨著固化時間從10min 增加至120min,硅橡膠膠粘劑試樣的剪切強度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,但是當固化時間達到60min 時,繼續(xù)提高固化時間并不會對硅橡膠膠粘劑的剪切強度產(chǎn)生明顯影響。