舞蹈器材用高韌性膠粘劑的開發與性能研究

馬 莉

(咸陽師范學院,陜西咸陽 712000)

隨著現代物質生活的極大豐富和對精神生活的普遍追求,舞蹈愛好者在國內也呈現逐年增多的趨勢,這主要是因為舞蹈不僅會鍛煉體質、增強氣質,還可以起到修養身心、美化形體等作用,這種對舞蹈的愛好變化趨勢也給舞蹈器材提供了巨大發展機遇,其中,不同類型、不同材質的舞蹈器材多采用粘接方式進行連接,因此,需要對粘接用膠粘劑提出較高的要求,包括足夠的強度、耐疲勞和耐老化等[1],而高韌性作為衡量舞蹈器材用膠粘劑品質的關鍵,也逐漸受到越來越多的關注。環氧樹脂膠粘劑的增韌一直是舞蹈器材過程中亟需解決的技術難題[2-3],而具有高韌性的環氧樹脂膠粘劑目前還主要依靠進口,國內在高韌性環氧樹脂膠粘劑的開發與應用上起步較晚,目前還沒有形成完整的技術體系,包括增韌劑的選擇、增韌劑的添加量及相應的固化工藝等少有報道[4-6]。本文從改善舞蹈器材用膠粘劑韌性角度出發,考察了丁腈-40 和端羧基丁腈預聚體作為增韌劑對環氧樹脂膠粘劑綜合性能的影響,并優化了丁腈-40 和端羧基丁腈預聚體作為增韌劑的添加量和固化溫度,結果可為高韌性舞蹈器材用膠粘劑的開發與應用提供技術參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料及主要生產廠家信息見表1,粘結試件為江蘇沙鋼集團有限公司生產的熱軋態20#鋼。

表1 試驗原料Table 1 Test materials

1.2 儀器設備

CMT4304 型液壓伺服萬能材料試驗機,美國MTS公司；Q20 型差示掃描量熱儀,美國TA 公司；JBW-300B 型微機控制沖擊試驗機,濟南力拓有限公司；DНG-8806 型烘箱,上海俊熱機械設備有限公司。

1.3 試樣制備

以E51 型環氧樹脂作為主樹脂,醋酸改性胺和D400 聚醚胺作為復配固化劑,將增韌劑A 和增韌劑B按比例加入后進行攪拌,然后進行脫泡處理得到改性環氧樹脂膠粘劑膠液[7],分別采用自制模具澆注成力學性能測試試樣。

1.4 與性能測試

(1)沖擊性能:根據ASTM D256-2010(R2018)《測定塑料抗擺沖擊性能的標準試驗方法》進行,試樣尺寸為80×10×4(mm)(無缺口)。

(2)剪切強度:根據GB/T 7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定》進行剪切單搭接試樣的拉伸剪切強度測試,粘結面尺寸為12.5mm×25mm,拉伸速率為1mm/min。

(3)拉伸性能、抗彎性能和壓縮性能:根據GB/T 2567-2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》進行。

2 試驗結果與分析

2.1 增韌劑

圖1 為增韌劑A 添加量對膠粘劑試件剪切強度的影響,固化溫度分別為60℃和80℃,固化時間都為3h。

圖1 增韌劑A 添加量對膠粘劑試件剪切強度的影響Fig.1 Effect of toughening agent A on shear strength of adhesive specimens

由圖1 可見,當固化溫度為60℃、固化時間為3h時,隨著增韌劑丁腈添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強度呈現先增加后降低的趨勢,在丁腈添加量為10% 時取得剪切強度最大值；當固化溫度為80℃、固化時間為3h 時,隨著增韌劑丁腈添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強度呈現逐漸增加的趨勢,且在相同丁腈添加量時,固化溫度80℃的膠粘劑試件的剪切強度都要高于固化溫度60℃的膠粘劑試件。這主要是因為較高的固化溫度會使得丁腈與環氧樹脂的反應更加劇烈,相同固化時間下二者的反應更加充分,更加有利于提升膠粘劑試件的剪切強度[8-10]。此外,雖然固化溫度為80℃時膠粘劑試件的剪切強度整體呈現隨著丁腈添加量增加而增大的特征,但是當丁腈添加量達到10% 時,繼續增加丁腈添加量對剪切強度的影響并不大,考慮到增韌劑的添加可能額外增加成本以及影響其他力學性能,因此,適宜的丁腈添加量建議為10%。

表2 為優化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件的綜合性能,固化溫度為80℃、固化時間為3h。

表2 優化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件的綜合性能Table 2 Comprehensive properties of adhesive specimens with optimized toughening agent A

圖2 為增韌劑B 添加量對膠粘劑試件剪切強度的影響,固化溫度為60℃,固化時間為3h。可見,隨著增韌劑B 添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強度呈現先增加后降低的趨勢,在增韌劑B 添加量為15% 時取得剪切強度最大值。由此可見,增韌劑B的添加量并不是越多越好,在增韌劑B 添加量小于15% 時,膠粘劑試件的剪切強度會隨著增韌劑B 添加量增加而增大,而后繼續增加增韌劑B 添加量,膠粘劑試件的剪切強度會急劇減小,適宜的增韌劑B 添加量建議為15%。這主要是因為適量增韌劑B 可以在固化過程中分解出端羧基丁腈并均勻分散在基體中[11],而過量增韌劑B的添加會造成分解出的端羧基丁腈在基體中的聚集,在受外力作用時容易產生應力集中并萌生裂紋[12],從而造成剪切強度的下降。

圖2 增韌劑B 添加量對膠粘劑試件剪切強度的影響Fig.2 Effect of toughening agent B on shear strength of adhesive specimens

表3 為優化增韌劑B 添加量下膠粘劑試件的綜合性能,固化溫度為60℃、固化時間為3h。

表3 優化增韌劑B 添加量下膠粘劑試件的綜合性能Table 3 Comprehensive properties of adhesive specimens with optimized toughening agent B

對比表2的優化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件的綜合性能可知,優化增韌劑B 添加量下膠粘劑試件的抗拉強度、拉伸彈性模量、抗彎強度和抗壓強度都要低于優化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件,但是斷后伸長率和剪切強度要高于后者。這也就說明,端羧基丁腈作為增韌劑添加對韌性的貢獻要優于丁腈。

2.2 固化溫度

表4 為不同固化溫度下增韌劑改性膠粘劑試件的剪切強度和彎曲強度。從剪切強度測試結果來看,隨著固化溫度從60℃增加至140℃,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的剪切強度逐漸增大,在固化溫度為140℃時,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的剪切強度為33.50MPa；隨著固化溫度從60℃增加至140℃,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強度也逐漸增大,在固化溫度為140℃時,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強度為35.26MPa；在相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強度要高于增韌劑A 改性的膠粘劑試件。從彎曲強度測試結果來看,隨著固化溫度從60℃增加至140℃,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的彎曲強度先增加后減小,在固化溫度為100℃時取得最大值(102MPa)；隨著固化溫度從60℃增加至140℃,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的彎曲強度也呈現先增大后減小特征,在固化溫度為100℃時取得最大值(82MPa)；在相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的彎曲強度要小于增韌劑A 改性的膠粘劑試件。

表4 不同固化溫度下增韌劑改性膠粘劑試件的剪切強度和彎曲強度Table 4 Shear strength and bending strength of toughening agent modifi ed adhesive specimens at diff erent curing temperatures

表5 為不同固化固化溫度下增韌劑改性膠粘劑試件的沖擊強度。可見,對于增韌劑A 改性的膠粘劑試件,隨著固化溫度從60℃增加至140℃,膠粘劑試件的沖擊強度呈現先增加后減小的特征,在固化溫度為100℃時取得沖擊強度最大值22.57kJ/m2；對于增韌劑B 改性的膠粘劑試件,隨著固化溫度從60℃增加至140℃,膠粘劑試件的沖擊強度也呈現先增加后減小的特征,在固化溫度為100℃時取得沖擊強度最大值23.25kJ/m2。在相同固化溫度下,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的沖擊強度都要低于增韌劑B 改性的膠粘劑試件,這主要與增韌劑B 更加有利于改善膠粘劑試件的韌塑性有關[13]。

表5 不同固化溫度下增韌劑改性膠粘劑試件的沖擊強度(kJ/m2)Table 5 Impact strength of toughening agent modified adhesive specimens at different curing temperatures

綜合表4 和表5的測試結果可知,相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強度要高于增韌劑A改性的膠粘劑試件,且增韌劑改性的膠粘劑試件的剪切強度會隨著固化溫度升高而增大；相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的彎曲強度要小于增韌劑A 改性的膠粘劑試件,且在固化溫度為100℃時增韌劑改性的膠粘劑試件的彎曲強度取得最大值。相同固化溫度下,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的沖擊強度都要低于增韌劑B 改性的膠粘劑試件,且在固化溫度為100℃時增韌劑改性的膠粘劑試件的沖擊強度最大,表明此時膠黏劑試件的韌性最好[14],更適合作為高韌性膠粘劑而在舞蹈器材中使用。

3 結論

(1)隨著增韌劑A 丁腈-40 添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強度呈現先增加后降低的趨勢,在丁腈添加量為10% 時取得剪切強度最大值；在相同丁腈添加量時,固化溫度80℃的膠粘劑試件的剪切強度都要高于固化溫度60℃的膠粘劑試件。

(2)隨著增韌劑B 添加量的增加,膠粘劑試件的剪切強度呈現先增加后降低的趨勢,在增韌劑B 添加量為15% 時取得剪切強度最大值。優化增韌劑B 添加量下膠粘劑試件的抗拉強度、斷后伸長率、拉伸彈性模量、抗彎強度、抗壓強度和剪切強度分別為46.72MPa、5.06%、2085MPa、74.46MPa、73.64MPa 和31.37MPa。

(3)相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的剪切強度要高于增韌劑A 改性的膠粘劑試件,且增韌劑改性的膠粘劑試件的剪切強度會隨著固化溫度升高而增大；相同固化溫度下,增韌劑B 改性的膠粘劑試件的彎曲強度要小于增韌劑A 改性的膠粘劑試件,且在固化溫度為100℃時試件的彎曲強度取得最大值。相同固化溫度下,增韌劑A 改性的膠粘劑試件的沖擊強度都要低于增韌劑B 改性的膠粘劑試件,且在固化溫度為100℃時試件的沖擊強度最大。