如何设计出环氧胶粘剂的最佳配方?

发布时间:2017-09-19 12:38

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环氧胶粘剂是使用最广用量最大的一类胶粘剂,约占市场份额70%——80%的份额。怎样设计出环氧胶的最佳配方?

要设计出环氧胶粘剂的最佳配方,达到所要求的胶接性能,就必须了解环氧胶粘剂的粘附机理和胶接的破坏机理。


关于环氧树脂胶粘剂配方设计的基本原则,应把握好以下三个方面。


一、胶粘剂阶性质与胶接性能的关系。

胶粘剂的性能对胶接性能具有决定性的影响,对胶粘剂的配方设计至关重要。接头中胶层和界面层的性能主要取决于胶粘剂的结构、性能及其固化历程,当然还与被粘物的表面结构和性质等有关。本节讨论的胶粘剂的性质是指固化后的胶层和界面层阶性质。影响胶接性能的胶粘剂性能主要有:

(1)胶粘剂的强度和韧性。前者是胶粘剂抵抗外力的能力,而后者是降低应力集中、抵抗裂纹扩展的能力。提高胶粘剂的强度和韧性有利于提高接头的胶接强度。

(2)胶粘剂的模量和断裂伸长率。二者影响胶接接头的应力分布。低模量和高断裂伸长率的胶粘剂会大大提高“线受力”时的胶接强度。但是模量太低、断裂伸长率太大往往会降低内聚强度,反而位胶接强度降低。对这两种影响相反的因素,只有找到它们共同影响下的最佳值,才能得到最好的“线受力”胶接强度。

(3)胶粘剂的稳定性和耐久性。这是它抵抗周围环境(温度、湿度、老化、介质侵蚀等)使胶粘剂性能劣化和结构破坏的能力。对提高接头的耐热性、耐湿热性、耐老化性、耐腐蚀性及安全可靠性等有决定性作用。抗剪强度(面受力)和剥离强度(线受力)显然是性质不同的两类性能。前者属于应力范畴,是材料的极限应力(破坏应力);后者与胶粘剂的形变能有关,属于能量范畴,是材料的断裂能(断裂功)。所以有人把剥离强度列为韧性参数。中尾一宗等测定了胶层厚度、温度及测试速度与剥离强度的关系,发现这些参数可以换算,曲线中剥离强度峰的数目与胶粘剂的转变点数目有关。环氧胶粘剂的硬度、模量与胶接性能的关系,可按硬度大小分成四个区域:非结构性胶粘剂、柔性胶粘剂、一般结构胶粘剂和耐热胶粘剂。

必须指出的是:胶粘剂的性能与胶接性能是相互关联又相互制约的,只有综合考虑、全面权衡,才能设计出所需环氧胶粘剂的最佳配方。


二、确定所需环氧胶粘剂关键性能的主要依据

(1)按接头中胶层的受力状态和大小选择胶粘剂的性能。若为“面受力”,宜选用内聚强度和粘附强度大、韧性好的胶粘剂。若为“线受力”则宜选用韧性好、模量较小、断裂伸长率较大的胶粘剂。受疲劳或冲击载荷时宜选用韧性好的胶粘剂。

(2)按被粘物的性质选择胶粘剂。刚性大的脆性材料(如玻璃、陶瓷、水泥、石料等)宜用强度高、硬度和模量大、不易变形的胶粘剂。钣金件和结构件等坚韧、高强的刚性材料,由于承载大并有剥离应力、冲击和疲劳应力,宜用强度高、韧性大的结构胶粘剂,如环氧-丁腈胶。柔软及弹性材料(塑料薄膜、橡胶等)一般不用环氧胶。也可选用柔性大的环氧胶。多孔性材料(泡沫塑料、海损等)宜用教度较大、柔性好的环氧胶。极性小的材料(聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等)应先经表面活化处理后再用环氧胶粘接。

(3)按使用温度选择胶粘剂。胶粘剂的玻璃化温度Tg一般应大于最高使用温度。通用型环氧胶粘剂的使用温度约为-40~+80℃。使用温度高于150℃时宜用耐热胶粘剂。使用温度在-70℃以下时宜用韧性好的耐低温胶粘剂,如环氧-聚氨酯胶、环氧-尼龙胶等。冷热交变对接头破坏较大,宜用韧性好的耐高低温胶,如环氧—尼龙胶等。

(4)按其他使用性能要求选择胶粘剂。如耐水性、耐湿热性、耐老化性、耐腐蚀性、介电性等。

(5)按工艺要求(固化温度、固化速度、教度、潮面或水中固化等)选择胶粘剂。所选出的胶粘剂常常不能同时满足所有的要求。这就需要正确地判断哪些性能是所需胶粘剂的主要性能(关键性性能),哪些是次要性能。并按照确保主要性能,兼顾其他性能的原则设计胶粘剂配方。


三、环氧胶粘剂配方设计的步骤和方法。

首先应根据使用性能和允许的固化工艺条件判断采用环氧胶粘剂是否有可能,在性能价格比上是否有优势。然后大体上按照以下步骤进行配方设计。

(1)初步判断所需环氧胶粘剂的主要性能是哪些,次要性能是哪些。

(2)本着确保主要功能,兼顾其他功能的原则,按照组分材料的结构和性能与胶粘剂性能的关系来确定胶粘剂的初步配方(胶粘剂的组配和配比)。还应考虑成本及组分材料的来源。

①先选配环氧树脂固化体系。按化学当量计算树脂和固化剂的理论用量。对催化剂和促进剂用量则参考经验数据。

②再选配其他助剂。参照经验数据或试配法选定初步用量(配比)。组分材料的在选配时还应注意组分材料之间的相互影响。

(3)、按照主功能最优,其他功能适当的原则对初步配方进行优化。如采用正交回归分析法等,并借助计算机辅助设计,经过综合权衡,最后定出最佳配方。

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