一、前言
环氧树脂胶粘剂是以环氧树脂为主体配制而成,环氧树脂大分子末端有环氧基,链中间有羟基和醚键,在固化过程中还会继续产生羟基和醚键,结构中含有苯环或杂环。这些结构决定了环氧树脂胶粘剂具有粘接强度高、收缩率小、尺寸稳定、电性能优良、耐介质性好、易于改性,用途广泛等特点。近年来,随着科学技术的发展,对环氧胶粘剂的耐热性提出了更高的要求,一般的环氧胶使用温度-60~150℃,长期可靠工作温度低于100℃;因此,必须采取改性措施以提高耐热性,才能适应诸多领域的需要。
二、耐热环氧胶黏剂
1、耐热环氧胶黏剂配方设计
(1) 改性树脂
通过提高环氧树脂的官能度,改善树脂固化物的交联密度是提高复合材料的耐热性的有效途径。增加交联密度是提高环氧树脂胶粘剂耐热性的重要手段之一,通过引入多官能度的环氧树脂可以提高胶粘剂的耐高温性能。环氧树脂官能团越多,2个环氧基之间的距离就越短,固化后树脂交联密度越大,热变形温度越高,耐热性就越好。将多元胺在催化剂和碱的作用下与环氧氯丙烷反应制备新型多官能环氧树脂,多官能团的环氧树脂的加入使固化物的耐热性有明显的提高。
① 弹性体改性环氧树脂
在提高环氧树脂耐温性的同时,消除高温下使用时的脆性是重要的。弹性体增韧环氧树脂不仅可以明显地改善其韧性,而且其它性能也得到了改进。官能性丁腈橡胶是一个重要品种,在催化剂作用下,羧基可以和环氧树脂反应,在环氧树脂交联结构中引入了丁腈共聚物链段。
加入弹性体其增韧机理主要有局部剪切屈服、橡胶颗粒内部空穴或颗粒的脱落所引发的环氧基体中孔洞或空穴的塑性体积膨胀等。加入弹性体不仅可起到增韧的作用,而且还能加速体系的固化,其力学性能、粘接性能、柔韧性能以及热性能均得到提高。但改性后的胶粘剂只有在一定的温度范围内才获得最佳性能,所以其使用温度必须控制在一定范围以内,否则其性能会大大降低。
② 热塑性耐高温树脂改性环氧树脂
与橡胶弹性体改性环氧胶粘剂相比,热塑性树脂改性的环氧胶粘剂具有更高的耐热性能。不仅能改进环氧胶粘剂的韧性,而且不降低其刚度和耐热性,是目前普遍采用的一种增韧改性方法;用于增韧环氧树脂的热塑性树脂主要有双马来酰亚胺(BMI)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚苯醚(PPO)、聚醚醚酮(PEEK)等。
通过对比热塑性树脂增韧环氧树脂的机理和橡胶增韧环氧树脂的机理,发现两者没有实质性差别,通常能用孔洞剪切屈服理论或颗粒撕裂吸收能量理论解释。但是从以上实验结果看,热塑性树脂增韧环氧树脂时,基体对增韧效果影响较小,而分散相热塑性树脂颗粒对增韧的贡献起着主导作用。
③ 有机硅改性环氧树脂
有机硅聚合物的主链是由Si-O-Si链节组成,因而具有很高的化学和热稳定性;Si-O-Si链由于具有高自旋性,无扰度尺寸大,而使有机硅具有韧性和高弹性。有机硅兼具无机和有机聚合物的双重性能,在高温下仅发生侧链有机基的断裂,主链的硅氧键很少被破坏,所以具有较高的热稳定性。
用硅油(PDMS)中的羟基和E-44环氧树脂中的仲羟基与环氧基反应,共混比超过1:1后,环氧转化率增加不大,而耐热性和弹性下降较多,说明环氧树脂过量未与PDMS反应,只是与PDMS进行了物理共混。在聚硅氧烷的分子中引入氨基,通过氨基与环氧基的反应制备出聚硅氧烷改性环氧树脂,环氧树脂的柔性和耐热性大幅度提高。
2、填充剂
填充剂也是增加环氧胶粘剂耐热性的一个重要组分。无机填充剂中的超细刚性粒子和纤维对裂纹推进具有约束作用。通常采用纳米二氧化硅和晶须增韧环氧胶粘剂,其中晶须强度大、模量高,是优良的增韧剂,且能提高强度。填料主要选用超微或超细颗粒,并且需要对填料表面进行处理。使用填料不仅可以增强力学性能和耐热性,还能降低生产成本。
胶粘剂中加入一定量的填充剂,可以降低固化过程的收缩率,也能赋予胶粘剂某些特殊性能以适应某些特殊的使用要求。加入填充剂能使胶粘剂增稠,避免其因固化过程中流动而造成缺胶或影响树脂的配比,也能改变环氧树脂的触变性能,以控制胶液的流动性。填充剂粒子的活性表面与某些大分子链结合能形成交联结构,当某条分子链受到应力时可以通过交联点将应力分散传递到其他分子链上,因此当某一链发生断裂其他链仍然能起到作用;加入填充剂同时可以调节固化过程中的收缩率,降低胶粘剂与被粘物之间热膨胀系数的差别,能阻止裂缝延伸,因此可以显著增强胶接强度尤其是高温下的剪切强度,也就是说增强了胶粘剂的耐热性能。
3、固化剂
环氧树脂、固化剂的分子结构以及它们之间相互反应性决定了固化物的热变形温度和热氧化稳定性。固化剂直接影响固化物的综合性能,完善和优化环氧胶粘剂的固化体系是改善耐热胶粘剂性能最为常见的方法之一。通常要求所选用的固化剂或具有多官能度、或具有稳定的化学结构,在与环氧树脂反应后可增加环氧树脂的交联度,提高环氧树脂的热稳定性。这类固化剂分为两类,一是芳香胺族、芳香多胺、改性胺等;另一类是芳香族多官能度酸酐;因此选用耐高温、热稳定性优良的固化剂以及在胶体中加入其它功能性聚合物是改善环氧胶粘剂耐热性的有效途径。芳香胺固化剂比脂肪胺固化的环氧树脂耐热性高,但热稳定性比较差,将芳香胺改性成酰亚胺以提高耐热性已是近年来开发高性能固化剂的方向之一。
使用固化剂改性环氧树脂耐热性时,固化剂与环氧树脂的比例对胶粘剂的性能有着重要影响,应尽量控制两者的比例使改性后的胶粘剂性能达到最佳。同时固化温度也是一个很重要的参数,当温度较低时,体系的粘度较小,反应缓慢,甚至固化反应进行得很不完全,线形结构并没有完全转化为网状交联结构,导致胶粘剂性能降低;随着固化温度的升高,树脂的粘度变小,分子的活动性增强,固化反应进行的较完全,体系的交联产物增多,可以加快聚合反应速率,缩短固化反应时间,使胶粘剂的性能得到增强。但考虑胶粘剂本身以及被粘接物的性能等因素,并不是固化温度越高粘结效果越好,应根据具体情况及需要确定最佳固化温度。
三、耐热环氧胶黏剂参考配方
※以下配方仅供参考
配方1:
成分 | 投料比 | 成分说明 |
二氧化双环戊二烯树脂(R-122) | 100 | |
顺丁烯二酸酐 | 50~53 | |
甘油 | 6~8 | |
石英粉(200目) | 48~52 | |
白炭黑 | 4~5 |
配方2:
成分 | 投料比 | 成分说明 |
双酚A环氧树脂 | 200 | |
改性聚氨酯环氧树脂 | 800 | |
咪唑 | 45~55 | |
双氰胺 | 78~82 | |
偏磷酸铝 | 97~102 | |
硅酸钙 | 700 |