環氧膠粘劑拉伸抗剪強度的影響因素研究

林 浩

（山西省交通科技研發有限公司 新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030032）

引 言

環氧類膠粘劑與固化劑發生化學反應形成環氧固化物，環氧固化物具有粘結強度高、機械性能好、抗腐蝕優異及電絕緣性好的優點。所以環氧類膠粘劑被廣泛應用于土木建筑加固、汽車及航天器的部件粘接和電子器械的電路封裝中[1～3]。

粘接界面的處理方式和界面環境是影響環氧膠粘劑粘接強度的重要因素。環氧膠粘劑與被粘物體間的粘接機理包括機械結合理論、吸附理論、靜電理論、化學鍵理論和擴散理論等。對于每種粘接機理，基材表面的處理方式和條件均是獲得良好粘接的前提，界面作用在一定程度上也決定粘接效果。另外膠粘劑在基材表面的潤濕程度也是良好粘接強度的前提[4～6]。硅微粉常應用于環氧膠粘劑的改性中，其對環氧膠粘劑的固化物的力學性能有重要影響。硅微粉分為活性硅微粉和非活性硅微粉，活性硅微粉是將硅微粉偶聯化處理制成，能使硅微粉與樹脂發生交聯，具有表面活性作用，提高樹脂與硅微粉的粘結力和界面憎水性?；钚怨栉⒎凼菬o毒無味、親油性好的白色粉末，其優點是耐酸堿腐蝕、耐溫性好、化學穩定性好、硬度大等[7～9]。

本研究對比討論了環氧膠粘劑中添加活性硅微粉和非活性硅微粉，對環氧膠粘劑在6種不同粘接界面及空氣中和水下環境兩種不同粘接環境粘結強度的影響規律。綜合討論了硅微粉、粘接界面處理方式和粘接環境對環氧膠粘劑粘結強度的影響。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

E-51環氧樹脂，（工業級），藍星化工新材料股份有限公司；400目活性硅微粉，（工業級），譽文硅微粉制品有限公司；400目非活性硅微粉，（工業級），譽文硅微粉制品有限公司；自制腰果酚改性胺類水下用環氧樹脂固化劑[10]；TYS-145A型氣相二氧化硅，山西天一納米材料科技有限公司；無水乙醇，（分析純），天津市大茂化學試劑廠。

砂紙和砂輪機，化工市場采購；100mm×25mm×1.8mm型C45#鋼片，南京五金有限公司；BH-PS6050E型噴砂機，溫州市百輝機械有限公司；SF0.4分散砂磨兩用機，江陰市雙豐機械有限公司；微機控制電子萬能試驗機；美特斯工業系統（中國）有限公司。

1.2 試樣制備及測試

A組分環氧樹脂、填料和觸變劑按表1配比混合，用高速分散機分散均勻。

表1 各組分比例Table 1 The ratio of adhesive compositions

B組分固化劑合成按照2018年粘接雜志發表的論文“橋梁加固用腰果酚改性胺類低溫固化劑分子的空間位阻效應研究”操作[10]，利用四乙烯五胺、多聚甲醛和腰果酚進行聚合反應，投料比例以物質的量計，其比例為0.8∶1.0∶0.8，首先多聚甲醛和腰果酚在0℃下冰浴攪拌0.5h后，用滴液漏斗加入四乙烯五胺，溶液的顏色逐漸變淡，隨后反應溫度升高至80℃，反應3h，減壓蒸餾。砂輪機打磨、砂紙打磨、噴砂機打磨均對鋼片端部處理2cm左右，裸露出嶄新的界面；有機溶劑處理是對鋼片端部3cm左右用乙醇擦拭3遍；鋼片灼燒處理是將鋼片至于馬弗爐內500℃高溫3h，然后清理掉表面雜質；空白處理未對鋼片表面防腐油層做任何處理。試件制備及測試按照G B/T 7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定》執行，對處理的鋼片表面粘接搭接12～18cm?？諝庵泄袒膶嶒?，鋼片表面在干燥條件下涂膠粘接和養護。水下環境實驗，按照G B/T 50728-2011《工程結構加固材料安全性鑒定技術》以混凝土為基材濕面施工水下固化型結構膠的安全性鑒定部分制樣及養護。

2 結果與分析

通過美特斯工業系統（中國）有限公司微機控制電子萬能試驗機測試試件力學性能，測試結果如圖1。

圖1 試件測試結果Fig.1 Results of all specimens

如圖1所示，填料為活性硅微粉，在空氣中固化的環氧固化物，相對于其他三組在7種不同的界面處理方式下，力學性能均最優，表面活性硅微粉是較優填料，且其更適合用于空氣中使用的環氧膠粘劑的填料。

填料為活性硅微粉，在空氣中固化的環氧固化物，鋼-鋼拉伸抗剪強度最小組為空白處理組，因其表面有防腐油層，導致環氧固化物與鋼片表面形成弱界面，其次鋼-鋼拉伸抗剪強度較小組為是砂紙打磨組和噴砂機打磨組，可能的原因是二者打磨力度較小，鋼片表面打磨欠佳，環氧固化物和鋼片表面存在部分弱界面；砂輪機打磨組和有機溶劑處理組力學性能相似，因其對鋼片表面防腐油層處理程度相同；而鋼片灼燒處理組，力學性能最高，可能是因鋼片灼燒表面除銹比較徹底。

填料為活性硅微粉，在水下環境固化的環氧固化物中，噴砂機打磨組、有機溶劑處理組和鋼片灼燒組的鋼-鋼拉伸抗剪強度較小，強度低于空白處理組，可能的原因是三種處理方式，鋼片界面形成的溝槽較小，且防腐油層破壞比較徹底，導致形成水膜隔離層，溝槽小和水膜隔離層雙重作用下，導致其力學性能較小。

填料為非活性硅微粉，在空氣中固化的環氧固化物中，鋼片灼燒組鋼-鋼拉伸抗剪強度最大，鋼片灼燒表面除銹較徹底；而有機溶劑處理組的環氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度最低，強度已經低于空白處理組。

填料為非活性硅微粉，在水下環境固化的環氧固化物中，有機溶劑處理組、鋼片灼燒組和空白處理組的鋼-鋼拉伸抗剪強度較低，可能的原因是此三組界面形成的溝槽較小。

3 結語

綜上所述，影響環氧膠粘劑鋼-鋼拉伸抗剪強度的界面因素包括鋼片的防腐油層、鋼片界面打磨溝槽的深度兩個因素，但其在不同的固化環境，兩個因素的影響程度不同。

填料為活性硅微粉，在空氣中固化的環氧結構膠實驗中，通過灼燒徹底去除鋼片表面的防腐油層，環氧粘鋼膠固化物的鋼-鋼拉伸抗剪強度力學性能最高，鋼片表面防腐油層膜未做任何處理的空白處理組的環氧粘鋼膠的固化物的鋼-鋼拉伸抗剪強度力學性能最低，此體系中鋼片油膜去除程度對環氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度起到主要作用；填料為活性硅微粉，在水下環境固化的環氧結構膠實驗中，環氧固化物力學性能較低的為噴砂機打磨組、有機溶劑處理組和鋼片灼燒組，此體系中鋼片溝槽大小對環氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度起到主要作用。

填料為非活性硅微粉，在空氣中固化的環氧結構膠實驗中，同樣是通過灼燒徹底去除鋼片表面的防腐油層，環氧粘鋼膠固化物的鋼-鋼拉伸抗剪強度力學性能最高，但鋼片表面未做任何處理的空白組和有機溶劑處理組的環氧粘鋼膠的固化物的鋼-鋼拉伸抗剪強度力學性能較低，此體系中整體也符合鋼片的油膜對環氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度起到主要作用的規律，但有機溶劑處理組規律出現異常，還需進一步探索。

填料為非活性硅微粉，在水下環境固化的環氧結構膠實驗中，砂輪機打磨組環氧結構膠鋼-鋼拉伸抗剪強度最高，因其溝槽深度最深，而有機溶劑處理、鋼片灼燒和空白處理組的環氧粘鋼膠的鋼-鋼拉伸抗剪強度較低，因其三者表面未形成溝槽，所以此體系中溝槽深度是影響其環氧固化物鋼-鋼拉伸抗剪強度的重要因素。