鋁合金機械裝備表面專用的改性環氧樹脂膠粘劑性能研究

摘 要：金屬材料的粘接是機械領域設備加工、維護等環節中經常出現的工藝操作，在傳統的金屬表面粘接過程中使用的粘膠劑粘接性能和耐老化性能有限，需要在進行金屬粘接時對金屬粘接界面進行非常精細的物化處理。研究以鋁合金機械裝備表面粘接為例，制備了一種環氧樹脂膠粘劑，以聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性E-51型環氧樹脂，對該膠粘劑進行改性并對該膠粘劑的綜合性能進行分析。結果表明，當該金屬專用環氧樹脂膠中的增韌劑含量為15份時，膠粘劑的剝離強度可以達到7.08 N/cm，剪切強度可以超過17.68 MPa，此時膠粘劑的綜合性能最佳。

關鍵詞：聚酯丙烯酸酯樹脂；增韌改姓；環氧樹脂膠粘劑；鋁合金界面

中圖分類號：TQ437+.4

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0026-04

Propertystudy of modifiedepoxy resin adhesive dedicatedfor aluminum alloy mechanical equipment surface

LIU Dongli

（Dongying Vocational Institute，Dongying 257091，Shandong China

）

Abstract：Bonding of metal materials is a process operation that often occurs in the mechanical field of equipment processing，maintenance and other aspects of the process.The adhesive used in the traditional metal surface bonding process has limited adhesive properties and aging resistance，and requires very fine physical and chemical treatment of the metal bonding interface when metal bonding is carried out.In this study，aluminum alloy mechanical equipment surface bonding was taken as an example，an epoxy resin adhesive was prepared.The adhesive was modified by using polyester acrylate resin toughened modified E51 epoxy resin，and the comprehensive properties of the adhesive were analyzed.The results showed that when the content of toughening agent in this metal-specific epoxy resin adhesive was 15 parts，the peelstrength of the adhesive couldreach 7.08 N/cm，and the shear strength couldexceed 17.68 MPa.In this case，the comprehensive performance of the adhesive was the best.

Key words：polyester acrylate resin;toughening and modification;epoxy resin adhesive;aluminum alloy interface

在傳統的金屬表面粘接過程中所使用的膠粘劑粘接性能和耐老化性能有限，需要在進行金屬粘接時對金屬粘接界面進行非常精細的物化處理，使粘接界面盡可能光滑。然而，這種傳統的金屬粘接表面處理工藝存在操作復雜、過程繁復等缺點，某些金屬如鋁合金等在進行常見的陽極化處理時還會因為材質、構造復雜問題而不具備進行陽極化處理的條件［1］。因此，如果能夠盡可能提升膠粘劑自身的綜合性能，將會極大地提升金屬機械設備、裝備、零部件等的粘接效果。研究制備了一種金屬專用的環氧樹脂膠粘劑，以聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性E-51型環氧樹脂，對該膠粘劑進行改性以提升其剝離強度和剪切強度等，旨在為金屬專用膠粘劑的發展提供借鑒。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與設備

1.1.1 實驗材料

環氧樹脂膠粘劑的制備通常需要用到環氧樹脂、聚酰胺、芐基-2-甲胺等；環氧樹脂膠粘劑的增韌改性需要用到聚酯丙烯酸酯樹脂等［2-4］。表1所示為本實驗所需各材料部分參數及其生產廠家等。

聚酰胺是構成膠粘劑中的固化劑的主要成分；芐基-2-甲胺的主要作用為聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性環氧樹脂提供催化效果。

1.1.2 實驗設備

對鋁合金機械裝備表面粘接效果進行分析時，主要需要進行改性環氧樹脂的傅立葉紅外光譜測試、改性環氧樹脂DSC分析等，需要用到的實驗設備有電子恒溫電熱套、增力電動攪拌器等［5］。表2所示為本次實驗所需實驗設備及其生產廠家信息等。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性環氧樹脂的制備

改性環氧樹脂的制備過程并不復雜，在26 ℃環境下將200 g環氧樹脂E51加入反應器中；按照5～20份的比例將聚酯丙烯酸樹脂加入反應器中與環氧樹脂進行混合；對反應器進行緩慢加熱，并加入0.5 g芐基-2-甲胺，在催化作用下反應約2 h時間以后即可獲得不同聚酯丙烯酸樹脂含量的改性環氧樹脂［6-8］。

1.2.2 粘接綜合性能測試

（1）粘接綜合性能測試需要首先制備幾種金屬粘接件。將相同材質的鋁合金金屬試片準備好以后，按照100∶??????? 30∶???????? 15的比例在鋁合金表面涂抹不同聚酯丙烯酸樹脂含量的改性環氧樹脂、600#聚酰胺和Al2O3，然后將2塊鋁合金金屬試片緩慢合攏，在電熱鼓風箱作用下進行45 ℃的固化，經過72 h以后即可得到測試所需的試件；

（2）對測試樣品進行傅里葉紅外光譜測試。使用LSPEC 5300型紅外光譜分析儀對粘接以后的測試樣品進行紅外測試，將測試樣品充分干燥以后經過32次紅外光譜掃描，掃描范圍保持在400～4 000 cm2；

（3）對改性環氧樹脂開展差示掃描量熱法測試。在氮氣環境下，將粘接實驗保持10 ℃/min的速度進行升溫至200 ℃，在這一時期觀察環氧樹脂膠粘劑的DSC數據，包括初始固化溫度和最高峰對應的固化溫度等；

（4）對材料的粘接界面微觀形貌、綜合粘接效果等進行分析。利用掃描電子顯微鏡觀察試件的粘接界面微觀形貌；利用萬能拉力機、旋轉黏度計等對試件的粘接剝離強度、剪切強度等進行分析，得到增韌劑含量對改性環氧樹脂粘接強度的影響規律。

2 結果與分析

2.1 傅立葉紅外光譜測試

對改性環氧樹脂開展傅里葉紅外光譜測試的主要目的，是為了觀察該粘接材料是否發生了交聯反應［9-12］。表3所示為未改性環氧樹脂、5份聚酯丙烯酸酯樹脂、10份聚酯丙烯酸酯樹脂、20份聚酯丙烯酸酯樹脂的傅里葉紅外光譜測試結果對比情況。

由表3可知，從傅里葉紅外光譜測試3 400 cm-1處結果來看，未改性的環氧樹脂在該處的寬峰為羥基峰，在添加5份至20份改性材料以后，羥基峰的峰寬明顯變寬且隨著改性材料添加量的提升，峰寬有持續變寬的趨勢。

從傅里葉紅外光譜測試1 730 cm-1處結果來看，未改性的環氧樹脂在該處的寬峰為酯基吸收峰，在添加5份至20份改性材料以后，酯基吸收峰的峰寬也明顯變寬且隨著改性材料添加量的提升，峰寬有持續變寬的趨勢。

從傅里葉紅外光譜測試1 029 cm-1處結果來看，未改性的環氧樹脂在該處存在對稱伸縮振動，而在添加5份至20份改性材料以后，這種對稱伸縮振動情況明顯更為劇烈，且隨著改性劑添加量的提升這種振動量也明顯提升。

從傅里葉紅外光譜測試916 cm-1處結果來看，未改性的環氧樹脂在該處的吸收峰較前幾個特殊節點明顯更弱，而改性劑的存在會使這種吸收峰減弱程度加劇。

可見，聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性劑的存在顯著影響了環氧樹脂的傅里葉紅外光譜測試結果，根據陳澤明等［13］的研究理論，可以認定聚酯丙烯酸酯樹脂增韌改性劑與環氧樹脂發生了交聯反應。

2.2 差示掃描量熱法測試

在利用聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑改性環氧樹脂時，需要充分考慮增韌改性劑的添加量、固化劑的類型及升溫速率對最終改性環氧樹脂粘接初始固化溫度和最高峰對應固化溫度的影響［14-16］；表4為差示掃描量熱法測試結果。

當聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑的添加量為0時，環氧樹脂膠粘劑的初始固化溫度為50.07 ℃，最高峰對應固化溫度為90.08 ℃。這一結果與一般環氧樹脂膠粘劑的性能測試結果一致。

隨著聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量的提升，改性環氧樹脂膠粘劑的初始固化溫度呈現出逐漸下降趨勢，在添加20份增韌劑以后，膠粘劑的初始固化溫度已經可以下降至45 ℃左右，較未改性環氧樹脂膠粘劑初始固化溫度下降約5 ℃，極大地提升了該膠粘劑的實際應用性；而材料最高放熱峰對應固化溫度的變化規律與初始固化溫度的變化規律基本一致，在添加20份聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時，最高放熱峰對應固化溫度可以下降約2.3 ℃。

2.3 粘接界面微觀形貌

利用環氧樹脂膠粘劑對鋁合金機械設備、零件進行粘接時，粘接界面微觀形貌過于光滑的問題始終難以解決。如果粘接界面微觀形貌過于光滑往往表示粘接強度不足等。圖1所示是聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑改性環氧樹脂時粘接界面微觀形貌變化情況，其中a、b、c、d、e分別對應聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑0份、5份、10份、15份和20份。

顯然，當環氧樹脂膠粘劑中不添加聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時，粘接界面微觀形貌極為光滑，只有極少數部分存在一定的不規則、不平整；隨著增韌劑添加量的提升，粘接界面微觀形貌的規則性越來越明顯，當聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量達到20份時，材料粘接界面微觀形貌已經展現出極為明顯的顆粒感，而這些不規則突起、顆粒能夠為金屬零部件提供更大的粘接強度。

2.4 剝離強度與剪切強度

剝離強度和剪切強度能夠直接反映某種粘接材料的粘接效果。本文使用萬能拉力機旋轉黏度計等對鋁合金試件的剝離強度和剪切強度進行測試，得到表5所示增韌劑添加量對環氧樹脂膠粘劑粘接強度的影響規律。

由表5可知，當未添加聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時，環氧樹脂膠粘劑的剝離強度和剪切強度僅0.46 MPa、9.66 MPa，剝離強度過低這一問題與上述未添加聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時環氧樹脂膠粘劑粘接界面微觀形貌過于光滑的這一結果相呼應。

當聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量逐漸提升時，環氧樹脂膠粘劑的剝離強度呈現出先提升后下降的變化狀態，在增韌劑添加量為15份時，環氧樹脂膠粘劑的剝離強度達到最高值7.08 MPa；剪切強度的變化狀態與剝離強度的變化狀態略有不同，整體呈現出不斷提升變化狀態，在增韌劑添加量為15份時達到最高值17.79 MPa，但與增韌劑添加量15份時的差距很小。

整體來看，當聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量為15份時，改性環氧樹脂膠粘劑的剝離強度和粘接強度分別可達7.08、17.68 MPa，為幾組中最佳。

3 結語

（1）聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑的存在可以明顯降低改性環氧樹脂膠粘劑的初始固化溫度，增韌劑添加量越高則初始固化溫度越低。在進行金屬機械零部件粘接時，初始固化溫度和最終固化溫度的降低能夠使粘接條件更為寬松，降低金屬機械零部件的粘接難度;

（2）聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑添加量的提升會明顯改變粘接界面微觀形貌，增韌劑添加量越高則粘接界面微觀形貌越粗糙，而粗糙的粘接界面微觀形貌無疑表示改性環氧樹脂膠粘劑具有更好的粘接效果;

（3）聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑能夠明顯提升改性環氧樹脂膠粘劑的剝離強度與剪切強度。綜合來看，盡管添加15份聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時環氧樹脂膠粘劑的剪切強度略低于20份聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑，但此時環氧樹脂膠粘劑的剝離強度優勢更為明顯。因此，添加15份聚酯丙烯酸酯樹脂增韌劑時環氧樹脂膠粘劑的粘接強度更高。

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收稿日期：2023-06-16；修回日期：2023-09-22

作者簡介：劉東利（1975-），男，碩士，副教授，研究方向：機電、機械；E-mail：272541555@qq.com。

引文格式：劉東利.鋁合金機械裝備表面專用的改性環氧樹脂膠粘劑性能研究［J］.粘接，2023，50（11）：26-29.