舞蹈器材用高韌性膠粘劑的開發(fā)與性能研究

馬 莉

(咸陽師范學院,陜西咸陽 712000)

隨著現(xiàn)代物質(zhì)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(nèi)也呈現(xiàn)逐年增多的趨勢,這主要是因為舞蹈不僅會鍛煉體質(zhì)、增強氣質(zhì),還可以起到修養(yǎng)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(fā)展機遇,其中,不同類型、不同材質(zhì)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(zhì)的關(guān)鍵,也逐漸受到越來越多的關(guān)注。環(huán)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(shù)難題[2-3],而具有高韌性的環(huán)氧樹脂膠粘劑目前還主要依靠進口,國內(nèi)在高韌性環(huán)氧樹脂膠粘劑的開發(fā)與應(yīng)用上起步較晚,目前還沒有形成完整的技術(shù)體系,包括增韌劑的選擇、增韌劑的添加量及相應(yīng)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(fā),考察了丁腈-40 和端羧基丁腈預聚體作為增韌劑對環(huán)氧樹脂膠粘劑綜合性能的影響,并優(yōu)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(jié)果可為高韌性舞蹈器材用膠粘劑的開發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)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(chǎn)廠家信息見表1,粘結(jié)試件為江蘇沙鋼集團有限公司生產(chǎn)的熱軋態(tài)20#鋼。

表1 試驗原料Table 1 Test materials

1.2 儀器設(shè)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(shè)備有限公司。

1.3 試樣制備

以E51 型環(huán)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(huán)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(jù)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(jù)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(jié)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(jù)GB/T 2567-2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》進行。

2 試驗結(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(huán)氧樹脂的反應(yīng)更加劇烈,相同固化時間下二者的反應(yīng)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(xiàn)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(xù)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(yōu)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(yōu)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(xiàn)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(xù)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(chǎn)生應(yīng)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(yōu)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(yōu)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(yōu)化增韌劑A 添加量下膠粘劑試件的綜合性能可知,優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guān)[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(jié)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)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。