偶联剂对环氧树脂力学性能的影响研究

李志林，陈炳耀，彭小琴，潘 聪，韦远怡

（广东三和控股有限公司，广东 中山528325）

前 言

铸工胶即双组分室温固化环氧树脂胶，主要由环氧树脂和固化剂组成，同时，为满足不同的需求，可加入增韧剂、稀释剂、填料、促进剂、偶联剂等辅助材料改变其性能[1]。随着经济的发展，对铸件修补需求的不断增大，铸工胶的应用需求量也在不断的增加。铸工胶对铸件的缺陷如缩孔、气孔、砂眼、麻坑等的修补能使其起死回生，同时不影响铸件的强度和使用性能[2,3]。本文着重探讨偶联剂对环氧树脂力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

双酚A二缩水甘油醚（E51型）环氧树脂，广州市榕晟化工有限公司；650低分子聚酰胺，定远县丹宝树脂有限公司；酚醛胺环氧固化剂（T-31），广州宏海化工有限公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550），佛山市景鼎塑料化工有限公司；γ-巯丙基三乙氧基硅烷（KH-580），广州依帕克斯材料科技有限责任公司；γ-二乙烯三氨基丙基三乙氧基硅烷（B-201），宏达化工有限公司。

1.2 仪器及设备

JB300-D型行星搅拌机，上海泸析实业有限公司；摆锤冲击试验机，山东万辰试验机有限公司；PT-1136电脑式拉压力试验机，广州市普睿思仪器有限公司；XHS-D型邵氏硬度计，深圳市君达仪器有限公司。

1.3 实验步骤

1.3.1 实验配方

A组分配方：

组分树脂填充剂促进剂触变剂材料名称E-51重钙钛白粉气相二氧化硅质量分数/%40~60 10~20 10~20 4~8

B组分配方：

组分固化剂固化剂填充剂固化剂偶联剂触变剂材料名称650低分子聚酰胺T-31石英粉CD-30 KH-550/KH-580/B-201气相二氧化硅质量分数/%40~60 5~15 20~40 4~10 0.2~2 0.2~2

1.3.2 铸工胶的制备

A胶制备：将E-51树脂、填充剂、促进剂等依次加入，然后在室温条件下搅拌2.5h，再依次加入增黏剂与偶联剂搅拌0.5h即可制得铸工胶A胶。

B胶制备：将聚酰胺、T-31、填充剂、CD-30等依次加入，然后在室温条件下搅拌3h，再依次加入增黏剂与偶联剂搅拌0.5h即可制得铸工胶B胶。

铸工胶A胶的制备及B胶的制备使用不同的偶联剂，偶联剂分别是KH-550、KH-580、B-201，制备时偶联剂的用量相同，分别为0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、1.5%。分别对用不同偶联剂制得的铸工胶进行力学性能分析。

1.4 性能测试

（1）剪切强度/MPa：按照GB/T7124-2008测定。

（2）冲击强度/MJ/m2：按照GB/T 6328-1999测定。

（3）邵氏硬度（Shore A）：按照GB/T 531.1-2008用硬度计检测。

2 结果与讨论

偶联剂KH-550、KH-580、B-201不同添加量的检测结果如表1、表2、表3所示。

表1 KH-550的检测结果Table 1 The test results of KH-550

表2 KH-580的检测结果Table 2 The test results of KH-580

如表1所示，随着偶联剂KH-550使用量的增加，该样品的剪切强度、冲击强度及邵氏硬度都有着相应的提升，在KH-550的使用量为1.0%时其剪切强度和冲击强度达到了最大值，分别为20.636MPa和2.088MJ/m2，原因是在1.0%的用量，胶体交联程度达到了最佳，但是邵氏硬度却是在KH-550使用量为0.8%时达到最大值，其具体的原因后续有待研究。虽然偶联剂（KH-550）对邵氏硬度有提升，但是不明显，可能的原因是偶联剂（KH-550）主要的作用是提升胶体抗弯强度、抗压强度、剪切强度等物理力学性能[4,5]。

同样的，在表2中，可以很明显地发现，偶联剂KH-580对样品的力学性能影响是非常大的。整体来说，随着其用量的增大，剪切强度、冲击强度及邵氏硬度都是相对地增大，在偶联剂KH-580使用量为0.8%时，其剪切强度、冲击强度及邵氏硬度都达到了最大值，为22.227MPa、2.68MJ/m2和81。

在表3中，偶联剂为B-201的检测结果显示，其对剪切强度、冲击强度及邵氏硬度都有着相应的提升，而剪切强度的提升是最明显的。其冲击强度提升变化相对来说并不大，在达峰值后其下降的趋势却很大，而其对硬度基本上提升很小。

表3 B-201的检测结果Table 3 The test results of B-201

2.1 不同偶联剂对剪切强度的影响分析比较

对表1、2、3的数据进行整理，得到三个偶联剂随着用量的增加对剪切强度的影响。

如图1所示。在图1中，偶联剂对剪切强度的影响都是随着其用量的增加而呈先增后减的趋势，添加KH-550、KH-580、B-201的铸工胶的剪切强度最大值分别是偶联剂用量为1.0%、0.80%和0.50%。

图1 剪切强度对比图Fig.1 The comparison of shear strength

偶联剂KH-580对剪切强度的影响最为明显，而且其添加量为0.50%时的剪切强度与偶联剂KH-550及偶联剂B-201它们的最大剪切强度相差不大。但是KH-580的最大值远大于其它的两个偶联剂，且在不同的用量点上，其数值都与其它两个偶联剂的数值相差不大甚至大于它们。

B-201对剪切强度的影响相对而言没有KH-550及KH-580的大，提升及最大值也没有这两者高，但是其剪切强度的最大值在其使用量为0.5%时，达到18.782MPa，相对的，其比KH-550的使用量为0.8%及KH-580使用量为0.5%时的剪切强度（18.029MPa、18.479MPa）还大。在一定程度上来说，此时B-201使用量为0.5%的成本比KH-550使用量为0.8%的成本相对更低，但是相比于同等用量的KH-580来说相差不大。对比数据，可以发现，在达峰值之前，KH-580的剪切强度提升趋势程度更大，在达峰值后，相对于KH-550和B-201，KH-580的下降趋势却相对的更加平稳，这与偶联剂及环氧树脂本身的性质有很大的关系。因此相对剪切强度而言，偶联剂应该选KH-580。

2.1 不同偶联剂对冲击强度的影响分析比较

同样，对表1、2、3的数据进行整理，得到三个偶联剂随着用量的增加对冲击强度的影响，如图2所示。在图2中，可以发现，对样品冲击强度影响程度最大的是KH-580，在用量为0.20%~0.50%时表现不明显，但是在用量达到0.80%，其影响很大，同时也达到了最大值，后续冲击强度也大于另外两个偶联剂。因此就冲击强度而言，偶联剂应该选KH-580。

图2 冲击强度对比图Fig.2 The comparison of impact strength

2.3 不同偶联剂对邵氏硬度的影响

同理，对表1、2、3的数据进行整理，得到三个偶联剂随着用量的增加对邵氏硬度的影响，如图3所示。在图3中，可以看到偶联剂对于硬度的提升并没有很大的作用，因为偶联剂的主要的作用基本上都是提升胶体抗弯强度、抗压强度、剪切强度等物理力学性能，而想要提升胶体的硬度则主要是依靠环氧树脂及其固化剂本身的性质与固化后的相互作用。

图3 邵氏硬度对比图Fig.3 The comparison of Shore hardness

3 结论

本文主要是通过控制变量法来进行分析的，即控制实验其他的条件相同，通过改变偶联剂的种类及用量来进行实验。结合以上所述，我们可以得到：偶联剂KH-580对环氧酚醛树脂E-51的力学性能影响最大，在其用量为1.0%时铸工胶的剪切强度、冲击强度、邵氏硬度达到最大值，同时符合企业的铸工胶标准，也能满足实际的生产及使用需求。