研究不同固化劑對鑄工膠力學性能的影響

陳煜陽，陳炳耀，歐佳麗，全文高，楊育其

(廣東三和控股有限公司，廣東 中山 528429)

鑄工膠的本質是一種雙組分的室溫固化環氧結構膠粘劑，其主體主要有環氧樹脂和固化劑2大部分組成，在此基礎上添加優質填料以及助劑配制而成，具有優良的耐熱、耐蝕性和較小的收縮性等特點[1-2]。主要用于鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁等鑄件的氣孔、砂眼、麻坑、包括精加工時發現的缺陷[3]；同時，不會影響鑄件的各項性能指標和強度。而傳統的方式是用純鎳焊條或鑄鐵焊條焊補，這種修補方式不僅成本高，需要的勞動強度也大[4-5]。因此，環氧固化劑在其中起著不可或缺的作用，其與環氧樹脂反應生成三向立體結構才具有實用價值[6]；固化劑的結構類型與品質也將直接影響環氧樹脂的應用效果。針對不同的性能需求，也可通過開發或改變固化劑的類型獲得，這相當于開發或改變了一種新的環氧樹脂[7-8]。隨著我國經濟的快速發展，鑄工膠的應用逐漸普及，這一難題也將迎刃而解[9-10]。本文著重探究采用不同的固化劑以及改變固化劑的添加量配制鑄工膠，通過各項力學性能試驗，表明固化劑對鑄工膠的力學性能有影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

環氧樹脂128E型，山東旭昇新材料科技有限公司；電子級硅微粉，河北捷貴礦產品有限公司；KH-570型號硅烷偶聯劑,廣東省山友塑料有限公司；低分子量聚酰胺650#，河南馳奧商貿有限公司；T-31型環氧固化劑，武漢吉業升化工有限公司；T-31E型環氧固化劑，廣州市業增化工有限公司；T31-B4型環氧固化劑，廣州市業增化工有限公司；氣相法白炭黑，拓億新材料(廣州)有限公司。

1.2 儀器及設備

GZ型強力電動攪拌機，常州市億能實驗儀器實力廠；FDL-362型指針擺錘式沖擊試驗機，高翔機械設備實力工廠；YF-900型電子拉力試驗機，武漢國量儀器有限公司；LX-D型邵氏硬度計，揚州市源峰試驗機械廠。

1.3 實驗方法

1.3.1配制A組分

依次將128E環氧樹脂、填料、促進劑等加入到300 mL空白瓶中；然后，在室溫條件下，用電動攪拌機持續攪拌3 h。隨后依次加入補強劑和催化劑，室溫持續攪拌1 h，待攪拌完成后完成A組分的制備。

1.3.2配制B組分

依次將固化劑、650#低分子聚酰胺、填料等加入到300 mL空白瓶中；然后，在室溫條件下，用電動攪拌機持續攪拌2.5 h。隨后依次加入偶聯劑、催化劑和補強劑，室溫持續攪拌1 h，待攪拌完成后完成B組分的制備[11-13]。

在用不同的固化劑制備試樣，同時改變環氧固化劑的添加量，這3類固化劑的添加量分別為10%、15%、20%、25%、30%。對使用不同種類固化劑以及不同添加量制得的膠粘劑進行各項力學性能測試、分析。

1.4 性能測試

剪切強度：根據GB/T 7124—2008的測試方法；

沖擊強度：根據GB/T 6328—1999的測試方法；

邵氏硬度：根據GB/T 53101—2008硬度計進行檢驗。

2 結果與討論

2.1 T-31型環氧固化劑對鑄工膠力學性能的影響

使用環氧固化劑T-31配制完成鑄工膠后，對其進行力學性能檢測的結果如表1所示。

表1 環氧固化劑T-31不同添加量的檢測結果Tab.1 Test results of different dosage of T-31 epoxy curing agent

由表1可知，隨著環氧固化劑T-31質量分數的遞增，配制出的鑄工膠對應的各項力學性能指標都呈現出先增強后削弱的趨勢。在T-31環氧固化劑質量分數為20%時，鑄工膠的剪切強度和邵氏硬度都達到了最大值，其數值分別為17.532 MPa和85.9 HD；在T-31固化劑質量分數為25%時，沖擊強度達到了最大值，其數值為2.44 MJ/m2。這說明T-31固化劑在質量分數為20%～25%時與樹脂以及交聯劑、偶聯劑的反應較為充分。環氧固化劑作為鑄工膠的核心成分，其用量大小勢必會影響到鑄工膠的性能指標[14]。

2.2 T-31E型環氧固化劑對鑄工膠力學性能的影響

使用環氧固化劑T-31E配制完成鑄工膠后，對其進行力學性能檢測的結果如表2所示。

表2 環氧固化劑T-31E不同添加量的檢測結果Tab.2 Test results of different dosage of T-31E epoxy curing agent

由表2可知，隨著T-31E環氧固化劑質量分數的遞增，鑄工膠的各項力學性能指標都相應的增強；當T-31E環氧固化劑質量分數達到20%時，對應的各項性能指標同時達到了最大值，即最大剪切強度為16.855 MPa、最大沖擊強度為1.94 MJ/m2、最大硬度為80.5 HD。

2.3 T31-B4型環氧固化劑對鑄工膠力學性能的影響

使用環氧固化劑T-31E配制完成鑄工膠后，對其進行力學性能檢測的結果如表3所示。

表3 環氧固化劑T31-B4不同添加量的檢測結果Tab.3 Test results of different dosage of T31-B4 epoxy curing agent

由表3可知，隨著環氧固化劑T31-B4質量分數的增加其檢測結果與表1、表2所呈現出的規律相似，這也表明環氧固化劑對鑄工膠的影響作用。使用環氧固化劑T31-B4制備的鑄工膠，剪切強度和硬度的提升或降低的幅度都較為平緩，這也反映出這種固化劑的穩定性更好。

2.4 不同環氧樹脂添加量對剪切強度的影響

對表1～表3的數據進行整理，得到剪切強度對比圖，具體結果如圖1所示。

圖1 剪切強度對比圖Fig.1 The comparison of shear strength

從圖1可以看出，鑄工膠的剪切強度呈現出一種先升高后降低的趨勢。隨著環氧固化劑用量的增加，T-31型固化劑和T-31E型固化劑都在其用量占比達到20%時，相對應的鑄工膠剪切強度都達到了最大值，分別為17.532、16.855 MPa；而T31-B4型固化劑對于鑄工膠剪切強度提升的上限更高，在其質量分數為25%時，剪切強度達到最大值18.221 MPa。因此，對比剪切強度而言，T31-B4型固化劑是更好的選擇。從實際生產情況來看，質量分數25%的T31-B4型固化劑對比質量分數20%的T-31型固化劑強度相差不大；而更多用量的一方成本會更大，并且在質量分數均為20%時，T-31型固化劑所展現出的優勢更加明顯，這也與環氧固化劑本身的性質有不可或缺有關[15-17]。

從企業大量生產鑄工膠的角度出發，可適當降低固化劑的成本，同時獲得較好的剪切強度，故應選擇T-31型環氧固化劑作為主要固化劑。

2.5 不同環氧樹脂添加量對沖擊強度的影響

對表1～表3的數據進行整理，得到沖擊強度對比圖，具體結果如圖2所示。

圖2 沖擊強度對比圖Fig.2 The comparison of impact strength

從圖2可以看出，對于使用不同類型的固化劑，其對應的膠粘劑呈現出的規律與圖1剪切強度對比圖類似，鑄工膠的沖擊強度都是先上升到一定程度之后開始下降，T-31E型固化劑和T31-B4型固化劑均在質量分數為20%時，達到了最大值，分別為1.94、2.01 MJ/m2；但它們的沖擊強度都低于相同節點上的T-31型固化劑，并且使用T-31型固化劑的鑄工膠在質量分數為20%之后還有上升的空間。因此，就沖擊強度而言，T-31型環氧固化劑更符合實際的需求。

2.6 不同環氧樹脂添加量對邵氏硬度的影響

對表1～表3的數據進行整理，得到圖3邵氏硬度對比圖，具體結果如圖3所示。

圖3 邵氏硬度對比圖Fig.3 The comparison of shore hardness

從圖3可以看出，對比3種固化劑對硬度影響所呈現出的折線圖，環氧固化劑對鑄工膠的硬度強度同樣有明顯的作用，并且3種類型的環氧固化劑都在質量分數為20%時，使得鑄工膠的硬度達到了最大值；因此，可以初步判定這個添加量是對鑄工膠硬度提升最大的。而T-31型固化劑劣勢在于少量添加時作用會稍遜一籌，優勢在于后續提升幅度較大，達到最大值之后下降的幅度較為平緩。

考慮到綜合力學性能指標，環氧固化劑更偏向選擇T-31型為宜。

3 結語

本文主要研究環氧固化劑對鑄工膠力學性能的影響程度，使用不同固化劑，相同的測試方法，通過使用控制變量法進行分析，驗證環氧固化劑對環氧鑄工膠的影響。綜合以上數據分析，在測試的3個環氧固化劑中，選擇T-31型環氧固化劑作為生產鑄工膠主要原材料之一，可以得到較好的力學性能，在其用量占比20%時力學性能指標可以獲得很好的效果，并且對于這個使用率從生產工藝考慮也不難實現，從節約成本的角度出發也符合以及滿足實際生產和使用需求。