新型環(huán)氧結構膠的研制

許 愿

（煙臺德邦科技有限公司，山東 煙臺 264006）

近年來，作為環(huán)氧結構膠基礎樹脂的主要組成部分，合成橡膠、聚氨酯及丙烯酸酯增韌改性環(huán)氧樹脂得到大力推廣和使用。環(huán)氧結構膠雙組分中，甲組分基體樹脂通常為雙酚A型、雙酚F型環(huán)氧樹脂輔以不同種類的增韌改性環(huán)氧樹脂等，乙組分通常使用不同結構的胺類固化劑如芳香胺、聚醚胺、聚酰胺、脂環(huán)胺等。2個組分分別按配方設計與特定填料、催化劑、偶聯(lián)劑相互配用，室溫或特定溫度范圍內(nèi)將甲乙2組分混合使用以實現(xiàn)膠粘劑的交聯(lián)和固化作用。

本文制備了一種雙組分高強堅韌型環(huán)氧結構膠。先將聚醚二元醇與過量的二苯基甲烷二異氰酸酯反應，制成異氰酸酯基封端的預聚體，再用甲乙酮肟將預聚體的異氰酸酯基封閉，制備聚氨酯樹脂（PUF），將此聚氨酯樹脂作為環(huán)氧樹脂的增韌樹脂添加應用于雙組分結構膠的甲組分中，乙組分為固化劑配方，在特定使用溫度下2組分混合反應，封閉的端異氰酸酯基解封，與乙組分的多胺固化劑迅速反應生成脲鏈和縮二脲結構，最終實現(xiàn)結構膠的高強高韌性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚醚二元醇，分子質(zhì)量4 000，工業(yè)級，青島新宇田化工；二苯基甲烷二異氰酯酯（純MDI），工業(yè)級，煙臺萬華股份；甲乙酮肟（MEKO），工業(yè)級，浙江圣安股份有限公司；雙酚A型環(huán)氧樹脂（E-51），無錫環(huán)氧樹脂廠；硅烷偶聯(lián)劑，KH560，武大有機硅公司；碳酸鈣，河南科力新材料公司；二月桂酸二丁基錫（DBTDL），化學純，市售；氣相硅，A200，德固薩公司；復配改性胺固化劑，自制。

1.2 儀器與設備

雙行星混合動力反應釜，NPM-3L，南京盛旺翔機械設備制造有限公司；電子萬能試驗機，CMT4304，珠海試驗設備有限公司。

1.3 膠粘劑的制備

（1）PUF的制備

準確稱取二元醇加入反應釜中，攪拌并升溫到120 ℃，抽真空2 h，降溫到40 ℃，分批次加入MDI，氮氣氛圍下，70 ℃反應2 h。然后降溫至40 ℃后開始滴加經(jīng)分子篩除過水的MEKO，滴加速度為1～2滴/s，滴加過程中，溫度不得高于70 ℃，加完MEKO后繼續(xù)反應2 h。降溫至40 ℃，用N2解除真空后出料，備用。

（2）甲組分的制備

準確稱取E-51、聚氨酯樹脂、碳酸鈣、偶聯(lián)劑和氣相硅，依次加入到雙行星混合動力反應釜中攪拌，抽真空，攪拌2 h后，N2解除真空后放料，放置備用。

1.4 性能測試

拉伸剪切強度及T型剝離性能：依據(jù)金風科技內(nèi)部標準，風力發(fā)電機組葉片用結構膠規(guī)范測試。

2 結果與分析

2.1 PUF添加量對結構膠拉伸剪切強度的影響

以PUF占甲組分不同比例添加量，制備成PUF含量不同的甲組分，與自制固化劑乙組分配合固化，測試拉伸剪切強度，結果見表1。表1表明，不添加PUF時，剪切強度較低，只滿足了傳統(tǒng)意義上的結構粘接（傳統(tǒng)意義上，膠粘劑的剪切強度≥12 MPa，便定義為結構膠粘劑）。PUF用量超過5%時，拉伸剪切強度明顯提高，PUF添加量為15%時，拉伸剪切強度高達24.3 MPa。再隨PUF的添加量增加，拉伸強度明顯下降。這是因為隨著PUF的過量使用，反應聚合物分子結構中芳環(huán)的含量大幅增加，對粘接基材的潤濕能力減弱，致使結構粘接強度降低。

表1 不同PUF添加量下結構膠的拉伸剪切強度Tab.1 Tensile shear strength of structural adhesive with different PUF content

2.2 PUF添加量對結構膠T型剝離強度的影響

以PUF占甲組分不同比例添加量，制備成PUF含量不同的甲組分，與自制固化劑乙組分混合固化，進行T型剝離強度的測試，結果見表2。不添加PUF時，剝離強度為1.85 kN/m。PUF用量超過5%時，剝離強度大幅度提高，用量達10%時，剝離強度為6.25 kN/m。而后，隨著PUF的添加量再增加，剝離強度有明顯的下降趨勢。這是因為隨著PUF的過量使用，反應聚合物分子結構中芳環(huán)的含量大幅增加，導致極性基團增多，約束聚合物鏈段的活動和擴散能力，使得膠層柔韌性下降，故抗剝離性能降低。

表2 不同PUF添加量下結構膠的T剝離強度Tab.2 T-peeling strength of structural adhesive with different PUF content

2.3 固化溫度對結構膠拉伸剪切強度的影響

MEKO的理論解封溫度為70 ℃。在膠粘劑的實際開發(fā)和應用中，一般在粘接前希望有較長的操作時間來施工混膠，而粘接后又希望在較短時間內(nèi)達到最高的固化程度或完全固化。本文新型結構膠的設計思路正是基于這2個因素，在沒有達到MEKO封閉的PUF樹脂解封溫度時，不足當量的胺類固化劑提供了相對較長的操作時間；當達到解封溫度時，解封的－NCO迅速與固化劑中的-NH2進行聚脲反應生成脲基甲酸酯，理論上達到了最快的固化與交聯(lián)效果。表3列舉了3種不同的固化體系，以結構膠的粘接強度為基準，測試拉伸剪切強度，以確定最優(yōu)化的固化溫度。

表3 不同固化溫度對拉剪切強度的影響Tab.3 Effect of curing temperature on tensile shear strength

兼顧配方設計成本和方便固化工藝，本研究選擇10%PUF用量增韌樹脂，100 ℃固化3 h后，其拉伸剪切強度≥20 MPa，剝離強度≥5 kN/m，實現(xiàn)了增強增韌效果。

3 結論

依據(jù)風輪葉片合模粘接的技術要求，對制備的結構膠進行拉伸剪切和T型剝離強度測試評價。結果表明，增加PUF用量可以增強增韌環(huán)氧結構膠，當PUF用量為10%時，結構膠粘接和抗剝離性能達到最強。