经纳米纤维改性的88CA胶粘剂对其粘合性能的影响

江畹兰 编译

（华南理工大学材料学院, 广东 广州 510641）

经纳米纤维改性的88CA胶粘剂对其粘合性能的影响

江畹兰 编译

（华南理工大学材料学院, 广东 广州 510641）

向88CA胶粘剂中加入4～5份纳米碳纤维，可使橡胶与金属的粘接强度提高30%～40%。

纳米碳纤维；88CA胶粘剂；粘接性能

目前,生产具有规定综合性能及全新性能的胶粘剂,依然是一项极为复杂及困难重重的研究课题。数十年来,人们对生产和应用各种类型粘合材料的兴趣大增,在全球范围内,包括弹性体材料在内的胶粘剂及密封材料的生产规模及销售量迅猛增长。

粘接强度问题一般可通过采用新型材料来解决,粘合性是其基本性能指标之一。氰基丙烯酸酯及厌氧固化的对称二丙烯酸酯二甘醇等即属此类材料,它们本身就具有高粘合性能。提高粘合强度的第二种方法,就是依靠加入增强组分以提高胶粘剂的内聚力。在这种情况下,提高粘合强度的问题,不仅涉及到寻找新型材料来改善粘合体系的各项性能,而且还关系到该体系的标准化问题,目的是测定胶粘剂弹性性能参数与应力-形变状态是否一致。

目前,在描述橡胶弹性的状态方程式中,未考虑体积弹性的贡献。在单轴拉伸时,橡胶的形变行为假设为不可压缩性。与此同时,在复杂的形变状态下,体积弹性的作用还是相当重要的。此种状况往往存在于橡胶-金属复合物中,也存在于和硬性表面交界的橡胶层里。这样,便导致所观察到的结合强度大大低于假设的强度,而此强度乃根据单轴拉伸时橡胶的强度假设的。因此,在确定橡胶强度标准时,合理地考虑了体积弹性的作用。

研究橡胶粘合性能后所得到的结果表明,在复杂的形变状态下,由橡胶体积弹性导致的对强度影响的效应,比变更形变方式的效应要大得多。这也是为什么尽管内聚性能遭到破坏,但橡胶金属复合物试样的额定强度,几乎比标准橡胶试样的强度低50%的原因。

为了举例说明弹性体基胶粘剂与被粘物在粘合破坏瞬间,其应力-形变状况上的差异,在图1上示出了用动态有限元方法计算的、在橡胶金属复合物试样法向破坏时,胶粘剂和被粘物（橡胶）中应力张量强度与时间的关系曲线。在该项计算中,再次得出了试样尺寸和额定负荷。图1还示出了变形波从橡胶试样夹具至金属垫片表面通过时,其中部断面上应力张量的强度曲线。从图1看出,应力-应变特性产生了明显的差异。对应力和应变张量进行的综合分析表明,在胶粘剂中,实际上没有切向应力和形变,而法向应力则比被粘物（橡胶）要大4倍。

图1 有限元的应力张量强度与时间的相关性曲线

因此,体积弹性效应在粘合破坏时,起着相当大的作用。

众所周知,使用高模量短纤维填充剂,是提高聚合物材料体积弹性模量的方法之一。此外,在弹性体基胶粘剂中如采用普通纤维,由于纤维厚度与胶粘剂层的厚度相当,因此,普通纤维可能会成为复合材料结构上的缺陷,故很难予以应用。有鉴于此,该文研究的目的,旨在评判用纳米碳纤维来改性弹性体基胶粘剂的可能性。按事先的评估,纳米纤维应能在复杂的形变状态下,促进胶粘剂层中弹性体的交联。

在研究中使用了由氯丁橡胶和酚醛树脂制备的胶粘剂88CA,被粘物为СКИ-3（异戊二烯橡胶）、БНКС-28（丁腈橡胶）及СКМС-30 АРК（甲基丁苯橡胶）的填充胶料。它们通过改性胶粘剂与钢材CT3粘合,而后进行了标准剥离试验。胶粘剂强度指标,系通过标准薄片法向剥离来确定。该薄片通过有效部位的端面,粘接在预先抛光的钢质半圆盖上。试验在РМИ-60拉力机上进行,下夹持器的移动速度为500 mm/min（此处原文似乎有误，一般是以50 mm/min速度移动——译者注）。

改性88CA胶粘剂所用的纳米碳纤维是由弗拉基米尔（Владимир）大学碳纳米材料研究中心合成的。合成方法是在碳氢化合物的催化裂解过程中,进行气相化学沉淀。用过渡金属Fe、Co、Ni纳米微粒作为催化剂,再把这些微粒作为多孔载体（如MgO）,这些载体可以防止催化剂粒子烧结,表1示出了碳纳米管的技术特征。

用机械分散方法,将纳米纤维分散于事先准备好的胶粘剂溶液中,对胶粘过程进行改性。

根据橡胶金属复合物粘接强度的测试结果,进行了分散性分析。由此明确了橡胶种类及胶粘剂中纳米纤维的含量对粘接强度的影响是何等重要（见表2）。于是这些因素相互作用的效应便显得不是那么有意义。

表1 碳纳米管的技术特性

表2 橡胶组分及胶粘剂中纳米纤维的含量对粘接强度的影响

图2 橡胶金属复合物设定强度与改性粘合层及橡胶组分的关系

需要指出的是,在所有情况下,复合物被破坏都具有粘附特性。胶粘剂经改性后,粘合薄膜的强度增加。但此时橡胶的适宜含量必须在4～5份之间。图2示出了橡胶种类对含有适宜量纳米纤维的粘合体系粘接强度的影响。若继续增加纳米纤维的用量,会使体系的粘接强度下降,黏度升高。正如电子显微镜的研究结果所表明的那样,此种粘接强度下降是由于纳米纤维在聚合物中的不良分散所致。鉴于上述原因,必须要拟定好混炼工艺,保证在不破坏其完整性的前提下,仍具有良好的分散性。

综上所述,往胶粘剂中加入4～5份纳米纤维可使橡胶金属复合物的粘接强度提高30%～40%。而往胶粘剂中加入同样数量的炭黑则达不到这一指标,这是因为纳米纤维具有各向异性的缘故。正是这种各向异性使之在纳米含量少的情况下,大大提高了橡胶的弹性变形性能。

[1] Барышеь А.С等. ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ КЛЕЯ 88CA НАНО ВОЛОК НАМИНА АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА[J]. Каучук и резина, 2013(1):31-33.

[责任编辑：张启跃]

TQ 339

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1671-8232(2015)08-0026-03

2014-07-08

江畹兰（1934 — ）,女,湖北省仙桃市人。1960年毕业于前苏联莫斯科罗蒙诺索夫精细化工学院。现任华南理工大学教授,从事聚合物结构与变化的研究。