填料和固化劑對環氧膠黏劑的影響研究

徐曉芳

（山西交通控股集團有限公司 大同高速公路分公司，山西大同 037000）

環氧樹脂材料最早由德國科學家合成，直到多年后，因其和胺類發生化學反應而具有高強度的粘接性能而引起科研人員的重視。1923年，英國科學家首次將其用于路面修補粘接材料，美國多家公司同時將環氧膠黏劑工業化生產，推動了環氧樹脂膠黏劑在各個行業的廣泛應用。我國對環氧樹脂的研究始于20世紀50年代，上海和沈陽兩地的科研人員首先研制成功，我國環氧樹脂于1958年開始工業化生產，隨后我國又研發出了具有特殊性能的改性環氧樹脂[1-2]。

辛社偉等[3]用滑石粉和納米蒙脫土對水下環境使用環氧樹脂材料改性，提高其水下環境固化強度50%以上。鄺亞力等[4]通過環氧樹脂材料中添加納米二氧化硅和石英砂，提高環氧樹脂材料的抗沖磨性能，較普通環氧樹脂材料其抗沖磨性能提高22%。李文超等人[5]通過不同秸稈材料改性環氧樹脂提高其拉伸強度和彎曲強度。李晴等[6]通過廢電木粉改性環氧樹脂，改性后的環氧樹脂材料拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、沖擊強度較純環氧樹脂均有很大的提升，但改性后的環氧樹脂材料的熱穩定性有所降低。

本文研究了環氧膠黏劑A 組分中兩種不同種類的填料（硅微粉和粉煤灰）及每種填料不同填量（相對于環氧樹脂150%、170%、190%、210%和230%）情況下，分別使用不同種類的固化劑（固化劑1622T 和固化劑T5）進行粘接情況下鋼對鋼拉伸抗剪強度。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

a）E-51 環氧樹脂（EP） 工業級，藍星化工新材料股份有限公司。

b）硅微粉 工業級，譽文硅微粉制品有限公司。

c）粉煤灰 工業級，太原鋼鐵集團有限公司。

d）固化劑1622T 工業級，北京金島奇士材料科技有限公司。

e）固化劑T5 工業級，化工市場采購。

1.2 試驗儀器

a）FS-0.4 型號試驗用高速分散機 億利化工機械制造有限公司。

b）CMT4304 型號30 kN 量程微機控制電子萬能試驗機 美特斯（中國）有限公司。

1.3 制備工藝

A 組分中環氧樹脂、填料按表1 配比混合，用高速分散機攪拌至整體均勻一致；B 組分按比例加入到已經攪拌均勻的A 組分中，高速分散機分散至膠體均勻細膩，然后真空脫泡。

1.4 試驗制備及測試

按照GB 7124—2008要求制備空氣中固化的拉伸剪切試件，鋼片的粘接面長度為12.5 mm，寬度為25 mm，室溫養護7 d。

2 結果分析

2.1 力學性能

通過CMT4304 型號30 kN 量程微機控制電子萬能試驗機測試試件拉伸抗剪強度如圖1。

圖1 試件拉伸抗剪強度

圖1 中1 號為A 組分填料是硅微粉，B 組分所用固化劑為1622T，其固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度隨著硅微粉填量的增大呈先增大后減小的趨勢，鋼對鋼拉伸抗剪強度在硅微粉相對填量為190%時最大；2 號為A組分填料為粉煤灰，B 組分所用固化劑為1622T，其固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度整體隨著粉煤灰填量的增大而減小，在粉煤灰相對填量為150%～170%時下降速度最快，粉煤灰相對填量為190%～230%時，鋼對鋼拉伸抗剪強度呈緩慢的線性下降趨勢；3 號為A 組分填料是硅微粉，B 組分所用固化劑為T5，其固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度隨著硅微粉填量的增大呈先增大后減小的趨勢，鋼對鋼拉伸抗剪強度在硅微粉相對填量為210%時最大，硅微粉相對填量為210%～230%時，其鋼對鋼拉伸抗剪強度下降較快；4 號為A 組分填料是粉煤灰，B 組分所用固化劑為T5，其固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度在粉煤灰的相對填量為150%～190%時基本不變，粉煤灰的相對填量為190%～210%時鋼對鋼拉伸抗剪強度下降較快。

2.2 填料影響分析

硅微粉和粉煤灰性質如表2。

表2 硅微粉和粉煤灰性質 單位：g/cm3

因硅微粉主要成分為SiO2，其成分單一、均勻，化學性質穩定，所以當硅微粉填量為150%～230%時，環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度規律性較好，基本呈現出先增大后減小的趨勢；粉煤灰主要成分復雜，其主要成分中Al2O3、FeO、Fe2O3均為金屬氧化物，化學性質不穩定，在堿性條件下易生成相應的金屬氫氧化物，且FeO 容易被繼續氧化為Fe2O3，從而影響粉煤灰的整體性能，所以當粉煤灰填量為150%～230%時，環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度規律性較差。硅微粉和粉煤灰的密度對環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度同樣具有重要作用，硅微粉密度相對于粉煤灰密度較大，同樣質量的硅微粉和粉煤灰，粉煤灰相對于硅微粉的體積更大，二者相對于環氧樹脂具有相同的質量比，但粉煤灰相對于環氧樹脂的體積比遠大于硅微粉相對于環氧樹脂的體積比，結合其填量為150%～230%時，環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度整體呈下降趨勢，可以推測繼續減小粉煤灰填量時，其整體也為先增大后減小規律，環氧膠黏劑固化物最大鋼對鋼拉伸抗剪強度需要繼續減小粉煤灰填量才能出現。

2.3 固化劑的影響分析

固化劑1622T 和固化劑T5 的主要性質如表3。

表3 兩種固化劑的主要性質 單位：mPa·s

固化劑對環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度影響較復雜，該研究僅從固化劑的主要成分和黏度方面分析其對環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度的影響規律。改性脂肪胺分子鏈為直鏈型，因其直鏈分子空間位阻較小而更容易與環氧樹脂結合，固化反應更徹底，而改性酚醛胺分子中存在的苯環，大分子的苯環會阻礙其與環氧樹脂的化學反應位點的結合，固化反應較難進行，因此固化劑1622T 固化的環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度更高。黏度方面固化劑1622T 具有更低的黏度，相對于固化劑T5 其更容易與環氧材料拌合均勻，從而固化反應進行得更徹底，因此固化劑1622T 相對于固化劑T5 對環氧膠黏劑固化物具有更高的鋼對鋼拉伸抗剪強度。

3 結論

本文研究了環氧膠黏劑A 組分中兩種不同種類的填料及每種填料不同填量情況下，分別使用不同種類的固化劑進行粘接情況下鋼對鋼拉伸抗剪強度，得到如下結論：

a）硅微粉填量為150%～230% 時，采用固化劑1622T 和固化劑T5 兩種情況下，環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度基本呈現出先增大后減小的趨勢；而粉煤灰填量為150%～230%時，采用固化劑1622T和固化劑T5 兩種情況下，環氧膠黏劑固化物鋼對鋼拉伸抗剪強度呈下降的趨勢。

b）硅微粉成分單一，化學性質穩定，粉煤灰成分復雜，易發生化學反應，硅微粉作為填料的環氧樹脂固化物的力學性能高于粉煤灰作為填料的環氧樹脂固化物；粉煤灰密度小于硅微粉密度，粉煤灰具有更大的孔隙率和表面積，其作為環氧樹脂填料時，最大力學性能時的填量小于硅微粉最大力學性能的填量。

c）固化劑1622T 分子空間位阻較小，且其黏度較小，相對于固化劑T5，固化劑1622T 與環氧樹脂材料固化反應更徹底，固化劑1622T 對環氧膠黏劑固化物具有更高的鋼對鋼拉伸抗剪強度。