常溫固化耐高溫雙組分環氧膠粘劑的研制及應用

粟再祥等

摘要：綜采用納米橡膠為主要增韌材料，以多官能環氧樹脂為主粘料，配合改性脂環胺固化劑及多種耐高溫輔助材料，制備了一種常溫固化耐高溫雙組分環氧膠粘劑。室溫固化后，常溫拉剪強度大于20 MPa，150 ℃拉剪強度大于5 MPa，180 ℃拉剪強度大于2.5 MPa。適用于室溫到160 ℃的多種場合，可以滿足多種特殊工況下的應用。

關鍵詞：納米橡膠；常溫固化；環氧樹脂；耐高溫膠

1 前言

在高性能膠粘劑領域，有一類可常溫固化、又能在高溫使用的膠粘劑，使用方便，工藝性能良好，無須復雜的加溫設施，具有先進的技術性能和廣闊的市場應用前景。調查顯示，目前市面上出現的耐高溫膠粘劑有如下特點：1）、品種少，適用面窄；2）、大多需要加熱固化，操作不方便；3）、甲乙組分配比懸殊，不易調膠；4）、絕大部分為進口產品，價格昂貴。

本文以低黏度多官能度環氧樹脂為基礎研發了具有良好耐高溫性能的系列室溫固化環氧膠粘劑。

2 實驗部分

2.1 主要原料及設備

納米橡膠改性環氧樹脂，株洲華西同心科技有限責任公司；多官能環氧，市購；促進劑，自制；偶聯劑、耐溫填料，市購。

WDW-10電子萬能材料試驗機，濟南天辰試驗機有限公司；程序控溫裝置，自制。

2.2 參考配方

原料 質量份

納米橡膠改性環氧 100～150

多官能環氧 25～50

改性胺固化劑 40～60

促進劑 1～3

偶聯劑 1～5

增韌劑 5～15

填料 50～150

2.3 制備工藝

按配方將各原料準確稱量后，經混合、研磨均勻即可。

3 結果與討論

3.1 設計思路

主體材料的選擇十分重要。多官能度環氧樹脂固化產物交聯密度大，耐熱性好，高溫粘接強度高，不足之處是脆性大、沖擊強度低、不耐疲勞。

用全硫化納米級丁腈橡膠改性環氧樹脂，利用納米橡膠粒子的“彈性核殼”結構既大幅增加韌性、增強粘接力，又不降低原體系耐熱性的特點。使得膠粘劑在常溫下有較高的粘接強度，高溫下有足夠的粘接強度，反復使用后，能維持原有的性能。“彈性核殼”通過自身的變形和恢復來應對使用過程中應力的起落，緩沖此過程中的能量變化。它與偶聯劑配合，將無機填料與樹脂緊密結合在一起，應力變動產生的能量由橡膠粒子吸收、貯存、釋放。這一過程的反復進行，可有效地適應粘接部件在使用過程中的應力變動，維持良好的粘接效果，這是其他有機或無機增韌劑所沒有的獨特增韌機理。

配方體系中選用了能室溫固化耐高溫的固化劑。這種經復雜工藝制備的高活性多元脂環胺能在室溫下使多官能環氧樹脂實現高度交聯，形成穩定性好的三維網絡結構。其活性高，可以使樹脂在室溫下固化，而活性低的固化劑則需要加溫才能使樹脂固化。固化劑含有多個芳香環，熱穩定性好，還耐腐蝕。它與多官能環氧樹脂的結合，搭建了耐溫結構的基本框架，因而具有高交聯密度、高剛性、高耐熱性、高穩定性；缺點是性脆，必須增韌。

配方體系中選用了耐高溫填料，填料本身是高熔點物質，而且在溫度變化的情況下線脹系數或體積線脹系數與樹脂基體的線脹系數相當，可減少膠體內部產生的熱應力，有效阻止膠層與被粘材料的界面作用力在高溫時下降過多。另外，選擇耐高溫填料時還應考慮產品形態及表面特性，因為這些因素會影響到膠層內部應力的傳遞，最終影響到膠粘劑的粘接效果和使用壽命。

配方體系中還加有高溫輔助增韌劑、偶聯劑、促進劑、觸變劑等。

3.2 試驗結果

對參考配方作多次反復測試和調整后，得到了比較滿意的方案，具體操作是：按配方順序依次加入原料，每加一種攪拌均勻后再加下一種，至全部原料攪拌均勻，雙組分分別經三輥研磨機研磨。制備完畢后按規定配比配膠，調配均勻后，按標準方法粘接試片，于室溫晾置，共15個試樣。固化條件為：室溫72 h。按GB/T 7124進行測試，結果見表1。

4 應用領域與案例

由納米橡膠改性環氧樹脂配合特殊脂環胺固化劑的耐高溫膠粘劑，可以廣泛使用于多種耐溫粘接的場合，如：鼓風機葉片、耐高溫電器、傳感器、耐高溫復合材料、磨具澆鑄料、高溫構筑物修補、加熱爐體粘接、特殊路橋結構粘接等。

4.1 冶煉廠鼓風機葉片粘貼陶瓷保護層

某冶煉廠大型鼓風機需要鼓入高速熱空氣，氣流中常伴有硬度高、溫度高的礦渣顆粒，為防止鼓風機葉片損壞，需要在風機金屬葉片上粘貼陶瓷片。工作環境為常溫至170 ℃，有一定沖擊震動。經實地考察和初步試驗后，決定選用納米材料改性耐高溫環氧膠進行粘接。粘接方案如下：

1）陶瓷片背面打磨及表面清潔處理；

2）金屬板表面打磨及表面磷化處理；

3）調配膠粘劑：準確取適量A、B組分，快速手工混合，至表觀顏色均一即可；

4）涂膠：將混合后的膠液涂到被粘面上，注意控制膠層厚度為0.05～0.1 mm；

5）貼合：將被粘面分別涂好膠后，相對貼緊，再來回錯動幾次，排除氣泡，使膠層分布均勻；

6）夾持固定：用夾具將被粘陶瓷片的鋼基板固定，0.5 h左右可初步凝膠；

7）室溫固化；

8）粘接性能檢測：用專門的測試方法測試固化后的粘接效果；

9）投入使用。

經過數月使用，陶瓷片無脫落，外觀表現完好。

4.2 火電廠燃燒室外壁粘鋼補強

某火力發電廠煤燃燒室外壁產生裂縫，需加固補強。經研究，決定選用粘貼鋼板加固。通用建筑結構膠不能耐受150～200 ℃的高溫，為此，采用了納米材料改性耐高溫膠粘劑。施工方案如下：

1）燃燒室外壁耐火材料打磨及表面清潔處理；

2）金屬板表面打磨及表面磷化處理；

3）調配膠粘劑：準確取適量A、B組分，快速手工混合，至表觀顏色均一即可；

4）施膠：將混合后的膠液涂到被粘面上，注意控制膠層厚度在0.05～0.1 mm；

5）粘合：將被粘2面分別涂好膠后，相對壓緊，來回錯動幾次，以排除氣泡，使膠分布勻稱；

6）固化；

7）粘接性能檢測：固化后的粘接效果經專門的測試方法檢測；

8）投入使用。

使用時間已有1年，未出現脫落、開裂等不良狀況。

5 結論

常溫固化耐高溫環氧膠粘劑，室溫固化72 h后，常溫拉剪強度大于20 MPa，150 ℃拉剪強度大于5 MPa，180 ℃拉剪強度大于2.5 MPa，適用于室溫到160 ℃的多種場合。通過實際應用，證明這種室溫固化耐高溫膠能夠滿足環境溫度150 ℃左右的粘接。

參考文獻

[1]王德中.環氧樹脂生產與應用技術[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]賀曼羅.環氧樹脂膠粘劑[M].北京：中國石化出版社，2004.

[3]趙福君，等.高性能膠粘劑[M].北京：化學工業出版社，2006.