常温固化耐高温双组分环氧胶粘剂的研制及应用

粟再祥等

摘要：综采用纳米橡胶为主要增韧材料，以多官能环氧树脂为主粘料，配合改性脂环胺固化剂及多种耐高温辅助材料，制备了一种常温固化耐高温双组分环氧胶粘剂。室温固化后，常温拉剪强度大于20 MPa，150 ℃拉剪强度大于5 MPa，180 ℃拉剪强度大于2.5 MPa。适用于室温到160 ℃的多种场合，可以满足多种特殊工况下的应用。

关键词：纳米橡胶；常温固化；环氧树脂；耐高温胶

1 前言

在高性能胶粘剂领域，有一类可常温固化、又能在高温使用的胶粘剂，使用方便，工艺性能良好，无须复杂的加温设施，具有先进的技术性能和广阔的市场应用前景。调查显示，目前市面上出现的耐高温胶粘剂有如下特点：1）、品种少，适用面窄；2）、大多需要加热固化，操作不方便；3）、甲乙组分配比悬殊，不易调胶；4）、绝大部分为进口产品，价格昂贵。

本文以低黏度多官能度环氧树脂为基础研发了具有良好耐高温性能的系列室温固化环氧胶粘剂。

2 实验部分

2.1 主要原料及设备

纳米橡胶改性环氧树脂，株洲华西同心科技有限责任公司；多官能环氧，市购；促进剂，自制；偶联剂、耐温填料，市购。

WDW-10电子万能材料试验机，济南天辰试验机有限公司；程序控温装置，自制。

2.2 参考配方

原料 质量份

纳米橡胶改性环氧 100～150

多官能环氧 25～50

改性胺固化剂 40～60

促进剂 1～3

偶联剂 1～5

增韧剂 5～15

填料 50～150

2.3 制备工艺

按配方将各原料准确称量后，经混合、研磨均匀即可。

3 结果与讨论

3.1 设计思路

主体材料的选择十分重要。多官能度环氧树脂固化产物交联密度大，耐热性好，高温粘接强度高，不足之处是脆性大、冲击强度低、不耐疲劳。

用全硫化纳米级丁腈橡胶改性环氧树脂，利用纳米橡胶粒子的“弹性核壳”结构既大幅增加韧性、增强粘接力，又不降低原体系耐热性的特点。使得胶粘剂在常温下有较高的粘接强度，高温下有足够的粘接强度，反复使用后，能维持原有的性能。“弹性核壳”通过自身的变形和恢复来应对使用过程中应力的起落，缓冲此过程中的能量变化。它与偶联剂配合，将无机填料与树脂紧密结合在一起，应力变动产生的能量由橡胶粒子吸收、贮存、释放。这一过程的反复进行，可有效地适应粘接部件在使用过程中的应力变动，维持良好的粘接效果，这是其他有机或无机增韧剂所没有的独特增韧机理。

配方体系中选用了能室温固化耐高温的固化剂。这种经复杂工艺制备的高活性多元脂环胺能在室温下使多官能环氧树脂实现高度交联，形成稳定性好的三维网络结构。其活性高，可以使树脂在室温下固化，而活性低的固化剂则需要加温才能使树脂固化。固化剂含有多个芳香环，热稳定性好，还耐腐蚀。它与多官能环氧树脂的结合，搭建了耐温结构的基本框架，因而具有高交联密度、高刚性、高耐热性、高稳定性；缺点是性脆，必须增韧。

配方体系中选用了耐高温填料，填料本身是高熔点物质，而且在温度变化的情况下线胀系数或体积线胀系数与树脂基体的线胀系数相当，可减少胶体内部产生的热应力，有效阻止胶层与被粘材料的界面作用力在高温时下降过多。另外，选择耐高温填料时还应考虑产品形态及表面特性，因为这些因素会影响到胶层内部应力的传递，最终影响到胶粘剂的粘接效果和使用寿命。

配方体系中还加有高温辅助增韧剂、偶联剂、促进剂、触变剂等。

3.2 试验结果

对参考配方作多次反复测试和调整后，得到了比较满意的方案，具体操作是：按配方顺序依次加入原料，每加一种搅拌均匀后再加下一种，至全部原料搅拌均匀，双组分分别经三辊研磨机研磨。制备完毕后按规定配比配胶，调配均匀后，按标准方法粘接试片，于室温晾置，共15个试样。固化条件为：室温72 h。按GB/T 7124进行测试，结果见表1。

4 应用领域与案例

由纳米橡胶改性环氧树脂配合特殊脂环胺固化剂的耐高温胶粘剂，可以广泛使用于多种耐温粘接的场合，如：鼓风机叶片、耐高温电器、传感器、耐高温复合材料、磨具浇铸料、高温构筑物修补、加热炉体粘接、特殊路桥结构粘接等。

4.1 冶炼厂鼓风机叶片粘贴陶瓷保护层

某冶炼厂大型鼓风机需要鼓入高速热空气，气流中常伴有硬度高、温度高的矿渣颗粒，为防止鼓风机叶片损坏，需要在风机金属叶片上粘贴陶瓷片。工作环境为常温至170 ℃，有一定冲击震动。经实地考察和初步试验后，决定选用纳米材料改性耐高温环氧胶进行粘接。粘接方案如下：

1）陶瓷片背面打磨及表面清洁处理；

2）金属板表面打磨及表面磷化处理；

3）调配胶粘剂：准确取适量A、B组分，快速手工混合，至表观颜色均一即可；

4）涂胶：将混合后的胶液涂到被粘面上，注意控制胶层厚度为0.05～0.1 mm；

5）贴合：将被粘面分别涂好胶后，相对贴紧，再来回错动几次，排除气泡，使胶层分布均匀；

6）夹持固定：用夹具将被粘陶瓷片的钢基板固定，0.5 h左右可初步凝胶；

7）室温固化；

8）粘接性能检测：用专门的测试方法测试固化后的粘接效果；

9）投入使用。

经过数月使用，陶瓷片无脱落，外观表现完好。

4.2 火电厂燃烧室外壁粘钢补强

某火力发电厂煤燃烧室外壁产生裂缝，需加固补强。经研究，决定选用粘贴钢板加固。通用建筑结构胶不能耐受150～200 ℃的高温，为此，采用了纳米材料改性耐高温胶粘剂。施工方案如下：

1）燃烧室外壁耐火材料打磨及表面清洁处理；

2）金属板表面打磨及表面磷化处理；

3）调配胶粘剂：准确取适量A、B组分，快速手工混合，至表观颜色均一即可；

4）施胶：将混合后的胶液涂到被粘面上，注意控制胶层厚度在0.05～0.1 mm；

5）粘合：将被粘2面分别涂好胶后，相对压紧，来回错动几次，以排除气泡，使胶分布匀称；

6）固化；

7）粘接性能检测：固化后的粘接效果经专门的测试方法检测；

8）投入使用。

使用时间已有1年，未出现脱落、开裂等不良状况。

5 结论

常温固化耐高温环氧胶粘剂，室温固化72 h后，常温拉剪强度大于20 MPa，150 ℃拉剪强度大于5 MPa，180 ℃拉剪强度大于2.5 MPa，适用于室温到160 ℃的多种场合。通过实际应用，证明这种室温固化耐高温胶能够满足环境温度150 ℃左右的粘接。

参考文献

[1]王德中.环氧树脂生产与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]贺曼罗.环氧树脂胶粘剂[M].北京：中国石化出版社，2004.

[3]赵福君，等.高性能胶粘剂[M].北京：化学工业出版社，2006.