汽車用沖擊型結構膠的耐高低溫性的研究

王野

摘要：選用不同種類環氧樹脂增韌劑對結構膠耐高低溫性能進行研究，測試了結構膠在25℃與80℃下的的剪切強度;測試了-40℃與25℃下的T-剝離強度、沖擊剝離強度。結果表明：添加一定量的橡膠增韌劑后，結構膠的常溫剪切強度和韌性均有很大程度的提高;添加低丙烯氰含量的CTBN、核殼結構的增韌劑對結構膠低溫沖擊剝離強度有好處;CTBN與核殼結構增韌劑相比，核殼結構增韌劑對高溫強度的影響較小。

關鍵詞：環氧樹脂;結構膠;玻璃化轉變溫度;剪切強度;T-剝離強度;沖擊剝離強度

中圖分類號：TQ433.437文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2019）00-0083-04

目前汽車用結構膠主要是環氧樹脂型，但是環氧樹脂在不增韌時固化物較脆，在膠接接頭處抗剝離、耐沖擊性能差。需要對環氧樹脂進行增韌，環氧樹脂膠黏劑的增韌方法基本與環氧樹脂相同，主要是采用橡膠彈性體和熱塑性樹脂，原理是在環氧樹脂固化過程中，發生了相分離，形成了“海島結構”，橡膠相分散于基體樹脂中。在受到沖擊作用時，由于橡膠耐沖擊，分散的橡膠顆粒粒子起到了吸收能量、避免應力集中和彈性體儲能的作用，從而抑制了裂紋的擴展。

隨著對汽車安全性的要求越來越高，對結構膠的力學性能的要求也越嚴格，其中包括固化后結構膠高溫（80℃）強度、韌性;低溫（-40℃）韌性的要求。

本文通過選用不同含量、不同種類的增韌劑對結構膠高低溫的強度、韌性進行表征，得出增韌劑的最優加入量;并通過DSC、落錘沖擊試驗機分析了增韌劑、固化物的Tg及沖擊剝離強度，選擇了滿足高低溫要求的增韌劑種類。

1實驗部分

1.1主要原料

E-51（CYD-128），岳陽巴陵石化;MX-154，日本KANEKA，L-固化劑，寧夏大榮化工冶金;U-405M、861340、86840美國CVC化學;PU改性環氧樹脂;XY-207安徽新遠化工;碳酸鈣，唐山天盈化工。

1.2主要儀器及設備

（1）結構膠的制備：將主要原料按照一定的比例、順序攪拌均勻，使用真空設備脫去結構膠中的氣泡，待用;

（2）剪切強度的測定：微機控制電子萬能試驗機（配恒溫箱），美國SANS，型號：CMT4204，最大力20KN;GB/T7124-2008hS04587：2003，膠層厚度0.2mm（使用0.2mm粒徑的實心玻璃微珠控制），鋼板厚度1.6mm，拉伸速度50mm/min;

（3）T-剝離強度的測定：微機控制電子萬能試驗機，美國SANS，型號：CMT4204，最大力20KN;GB/T2791-1995，膠層厚度0.2mm（使用0.2mm粒徑的實心玻璃微珠控制），鋼板厚度0.8mm，拉伸速度100mm/min;

（4）玻璃化轉變溫度的測定：DSC差示掃描量熱儀，METTLER TOLETO，型號：DSC3;

（5）沖擊剝離強度（楔形物法）的測定：落錘式沖擊試驗機，INTRON（英斯特朗），型號9300，ISO11343：2003/GB/T 36877-2018（19年04月01日實施）。鋼板厚度1.6mm。

沖擊試驗接頭尺寸：如圖1所示;沖擊試驗機圖示：如圖2所示。

2結果與討論

2.1861340加入量對剪切強度、T-剝離強度、沖擊剝離強度的影響

861340為CTBN改性環氧樹脂，CTBN含量為40%，CTBN中丙烯氰含量為26%。表1位不同861340含量對三種力學性能的影響。

從表1可以看出，隨著CTBN含量的增加，剪切強度、剝離強度和沖擊剝離強度都有所提高，而且當CTBN含量為12份時，剪切、剝離、沖擊剝離出現極大值;隨后剪切、剝離、沖擊剝離隨CTBN含量的增加而下降。剪切、剝離、沖擊剝離的變化趨勢呈拋物線狀，其峰值都出現在12份左右。

因為在CTBN含量較低的情況下，固化過程產生了相分離，橡膠顆粒分散在連續的環氧樹脂相中，體系的韌性增加，從而緩解了固化物的應力集中，剪切強度和剝離強度增大。當CTBN含量繼續增加時，分相出來的橡膠顆粒數量變多，部分橡膠顆粒的直徑變的很大。這樣，一方面，小的顆粒對剪切變形起作用;另一方面，大的顆粒能阻止裂紋的增長，當兩種顆粒同時存在時，增韌效果隨之增加，緩解應力集中的能力也得到加強，剪切、剝離、沖擊剝離隨之逐步提高。當CTBN含量高于12份時，它對固化物稀釋作用變大，減小了高分子鏈之間的作用力，同時橡膠顆粒的直徑繼續變大，并逐漸成為連續相，固化物的內聚強度下降，剪切、剝離、沖擊剝離強度隨之下降。

剝離、沖擊剝離強度的變化幅度較大，說明體系的韌性得到了很大的提高。同時在實驗中發現：未增韌體系在剝離開始時，剝離力出現一個峰值，但在裂紋開始形成后，破壞面就迅速向前擴展;而增韌后體系在剝離開始時，剝離力迅速增大到一個峰值，裂紋開始擴展，但是由于分相的橡膠顆粒的存在，裂紋的擴展經過一個很小的距離后就停止了，此時剝離力又開始增大，而當剝離力增大到一個新的高峰時，裂紋又重新增長，這樣反復的進行，出現了“鐵道”狀的破壞斷面，這種情況在CTBN含量為12份時尤為明顯。

2.2不同增韌劑的加入對80℃剪切強度、80℃中擊剝離強度的影響

MX-154為核殼改性環氧樹脂，核殼橡膠含量為40%，殼組分為丙烯酸酯，可以提高核心結構與基體的相容性;核為聚丁二烯橡膠，增加韌性。具體結構如圖3所示。

從表2可以看出：隨著CTBN含量的減少，核殼結構含量的增加，80℃剪切強度、80℃沖擊剝離強度均有很大程度的提高，其中80℃剪切強度提高35%;80℃沖擊剝離強度提高17.6%。兩種力學性能的提高，原因都是固化物Tg的變化，用DSC設備檢測固化物的Tg，可以看出，用核殼橡膠逐步替換CTBN后，Tg一直處于上升的狀態。

以上現象產生的原因是液體橡膠通過處理，在固化前溶于環氧樹脂中，在固化過程中發生相分離，但是這種相分離結構程度不完全，而這種不完全的相分離對于增韌是不利的，導致了沖擊剝離強度的下降，而且由于CTBN相分離不徹底，還有一部分橡膠在固化后仍然溶于環氧樹脂中，導致固化后的結構膠Tg的下降，直接導致80℃剪切強度很大程度的下降，不滿足汽車廠的要求，如圖4所示。核殼橡膠在環氧樹脂形成極高程度的相分離，相分離均勻，殼結構起到保護核與環氧基體相容起到承接作用，如圖5所示。以上七組實驗Tg均較低，這是由于為降低結構膠的粘度，配方中加入過多的雙官能度稀釋劑所致。

2.3不同增韌劑對-40℃沖擊剝離強度的影響

CTBN改性環氧樹脂需用861340與868402種，前者CTBN為1300×13（廠家牌號），后者CTBN為1300×8，核殼改性選用MX-154。

從表3可以看出：3種增韌相的Tg不相同，從左至右，TG逐漸下降，1300×13的CTBN中丙烯氰含量為26%，1300×8的CTBN中丙烯氰含量為18%，丁腈橡膠的Tg是隨著丙烯氰含量的增加而增加。MX-154中橡膠為聚丁二烯，我們所用DSC最低溫度-80℃，未檢測出聚丁二烯的Tg。隨著增韌劑Tg的下降，低溫沖擊剝離強度逐漸變大。

原因是增韌劑達到增韌的效果，需要在使用溫度下，增韌劑為橡膠態，具有橡膠彈性，這就要求使用溫度要高于橡膠的Tg。

3結論

汽車結構膠中加入橡膠改性環氧樹脂，如CTBN、MX-154可以提高固化物的韌性，包括T-剝離強度、沖擊剝離強度;使用CTBN與核殼改性的環氧樹脂相比，核殼改性可以減少因增韌劑加入引起的固化物熱變形溫度的下降;對于要求-40℃沖擊剝離強度，需要增韌材料的Tg低于材料的使用溫度，基于成本的考慮，可以適當的用MX-154與86840配合使用。