如何快速确定胶粘剂的固化工艺

马慧茹 赵威力 马威

(中航工业南方航空工业(集团)有限公司工程技术部,湖南株洲 412002)

如何快速确定胶粘剂的固化工艺

马慧茹 赵威力 马威

(中航工业南方航空工业(集团)有限公司工程技术部,湖南株洲 412002)

在探索某种未知的胶粘剂的固化工艺时,可以先采用热分析法进行理论分析,再结合传统的性能试验进行验证,从而更快更准确的确定胶粘剂的固化工艺。

胶粘剂 热分析 固化工艺

在探索某种未知的胶粘剂的固化工艺时,传统的方法是测试该胶在不同固化条件下的强度,根据强度值来摸索确定固化工艺,此法需要做大量的强度试验,周期长,工作量繁多;现在也有采用热分析法得出不同条件下的系列热分析曲线,利用外推法得出固化温度的近似值[1],此法计算复杂,分析结果易出错。而本文将两者结合起来,采用热分析法快速确定胶的固化温度范围,再用传统方法进行验证试验,最终确定胶的固化工艺。

1 实验部分

图1 样品胶升温到550℃的曲线

1.1 样品和仪器

样品胶是一种单组份高温固化环氧胶。热分析试验采用德国耐驰公司的综合热分析仪STA449C,传统试验采用烘箱和电子拉力机。

1.2 实验方法

1.2.1 热分析试验

1.2.1.1 热分析试验条件的确定

a、坩埚的选择

常用的坩埚有PtRh坩埚、Al203坩埚、Al坩埚,其中Al坩埚适用温度为600℃以下,且传热性好,灵敏度最,价格低廉,适用于本试验。

b、升温速率的选择

若升温速率快,易产生反应滞后,样品内温度梯度增大,对于DSC[2]基线漂移较大,但能提高灵敏度。若升温速率慢,则有利于相邻峰的分离,且DSC基线漂移较小,但灵敏度下降。本试验中采用升温速率为10℃/min。

c、气氛及流量的选择

表1 胶在不同的温度和时间固化后的拉伸强度

使用静态气氛,反应移向高温,且易污染传感器。而使用导热性较好的动态气氛,有利于降低反应温度,提高反应速率。动态气氛常用的惰性气体有氦气、氮气和氩气[3],在本试验中我们选择高纯氮气。

图3 样品胶分别在160℃、170℃、180℃、190℃下恒温的DSC曲线图

若气体流量过小会带来类似静态气氛下的影响;若提高气体流量,有利于减少逆反应,但同时会带走较多的热量,降低灵敏度[3]。本试验使用的气体流量为保护气10ml/min,吹扫气20ml/min。

1.2.1.2 热分析试验方案的确定

热分析试验的目的是为了快速确定胶的固化反应温度,因此我们确定了如下试验方案:(1)将胶从室温升到550℃,大致判断出样品胶的固化反应温度范围;(2)在此温度范围内测试得出几个连续温度点的恒温曲线,进一步确定样品胶的固化温度。

1.2.2 传统试验方法

按GB6329《胶粘剂拉伸强度试验方法》的规定制成拉伸试件[4],将试件放入烘箱中,根据热分析法的分析结果选定系列固化温度和时间,固化后按GB6329测定其拉伸强度,根据拉伸强度结果来验证固化工艺。

2 热分析的结果与讨论

图1为将样品胶从室温升到550℃时的TG和DSC曲线,从图中可以看出,样品胶的固化反应大约从162℃开始,在200℃左右达到最大,到了340℃左右开始分解。因此可以初步判定样品胶的固化温度在160℃～200℃之间。

图2为样品胶分别在160℃、170℃、180℃、190℃下恒温2h的热分析曲线,且标示了各恒温温度下的DSC曲线的峰的综合分析结果;而图3是将各恒温温度下的DSC曲线进行对比分析。从图2中可以看出,样品胶在160℃恒温时的固化峰的峰型平缓,反应峰结束的时间较长,这表明此时的固化反应平缓,可以得到致密网络结构的固化物,但在反应后期由于高度交联而使反应活性基团被“冻结”,导致固化反应不能完全[5]。而随着恒温温度的升高,DSC曲线的峰越来越尖锐,峰值到来的时间和结束时间越来越早,如图3所示,说明随着温度的升高,胶的固化反应越来越剧烈。但是反应温度过高,造成反应速度较快且剧烈,得到的固化物内应力较大,缺陷较多,力学性能差。

固化反应放热量的大小是确定固化工艺的一个重要参数[6]。从图2中可知,各恒温温度下的反应放热分别为161．4 J/g 、293．2 J/g、240．5 J/g、219．6 J/g,这表明在170℃以上,样品胶的固化反应比较充分。由于固化反应热大小往往与升温速率及测定过程固化反应时间有关[5],而各恒温温度下的固化时间差距较大,由此参考固化反应热大小,进一步确定固化温度范围为170℃～180℃。

3 固化工艺的确定

结合热分析法的结果,再用传统方法进行验证试验。考虑到在烘箱中加温实际试件与热分析仪器对试样升温的差异,为了保证胶的固化完全,同时考虑到实际使用的需要,将胶的固化时间定为1h～2h。

按1．2．2条的规定制备试件和测试其拉伸强度,结果见表1。

从表1中可以看出,随着固化温度升高和固化时间的增加,胶的强度也相应增加,但当温度升到一定程度这种增加就不明显了。根据表1我们可以确定样品胶的固化工艺为180℃下恒温2h。

4 结语

采用热分析法对胶粘剂固化时的热行为进行分析,可以直观且快速的确定胶的固化温度范围,同时为固化工艺的确定提供理论参考,再用传统方法进行验证试验,理论结合实际,最终确定胶的固化工艺。

[1]胡兵.改性聚醚醚酮增韧环氧树脂的研究[D].武汉,武汉理工大学,2007,07:42～45.

[2]高家武,周福珍,刘士昕,过梅丽,杜灵玄等.高分子材料热分析曲线集[M].北京:科学出版社,1990.

[3]王秀萍.仪器分析技术[M].北京:化学工业出版社,2003,231～232.

[4]张向宇.胶黏剂分析与测试技术[M].北京:化学工业出版社,2004,270～273.

[5]王芳.环氧树脂新型固化体系及其碳纳米管复合材料的研究[博士学们论文].南京.南京航空航天大学,2008,54～55.

[6]王结良.氰酸酯树脂基体改性及其复合材料的研究[博士学们论文].西安.西北工业大学,2006,51.

马慧茹(1987—),女,辽宁大连人,供职于中国南方航空工业(集团)有限公司,硕士研究生,主要从事非金属检测及失效分析工作。