舞蹈器材用高韧性胶粘剂的开发与性能研究

马 莉

(咸阳师范学院,陕西咸阳 712000)

随着现代物质生活的极大丰富和对精神生活的普遍追求,舞蹈爱好者在国内也呈现逐年增多的趋势,这主要是因为舞蹈不仅会锻炼体质、增强气质,还可以起到修养身心、美化形体等作用,这种对舞蹈的爱好变化趋势也给舞蹈器材提供了巨大发展机遇,其中,不同类型、不同材质的舞蹈器材多采用粘接方式进行连接,因此,需要对粘接用胶粘剂提出较高的要求,包括足够的强度、耐疲劳和耐老化等[1],而高韧性作为衡量舞蹈器材用胶粘剂品质的关键,也逐渐受到越来越多的关注。环氧树脂胶粘剂的增韧一直是舞蹈器材过程中亟需解决的技术难题[2-3],而具有高韧性的环氧树脂胶粘剂目前还主要依靠进口,国内在高韧性环氧树脂胶粘剂的开发与应用上起步较晚,目前还没有形成完整的技术体系,包括增韧剂的选择、增韧剂的添加量及相应的固化工艺等少有报道[4-6]。本文从改善舞蹈器材用胶粘剂韧性角度出发,考察了丁腈-40 和端羧基丁腈预聚体作为增韧剂对环氧树脂胶粘剂综合性能的影响,并优化了丁腈-40 和端羧基丁腈预聚体作为增韧剂的添加量和固化温度,结果可为高韧性舞蹈器材用胶粘剂的开发与应用提供技术参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验原料

试验原料及主要生产厂家信息见表1,粘结试件为江苏沙钢集团有限公司生产的热轧态20#钢。

表1 试验原料Table 1 Test materials

1.2 仪器设备

CMT4304 型液压伺服万能材料试验机,美国MTS公司；Q20 型差示扫描量热仪,美国TA 公司；JBW-300B 型微机控制冲击试验机,济南力拓有限公司；DНG-8806 型烘箱,上海俊热机械设备有限公司。

1.3 试样制备

以E51 型环氧树脂作为主树脂,醋酸改性胺和D400 聚醚胺作为复配固化剂,将增韧剂A 和增韧剂B按比例加入后进行搅拌,然后进行脱泡处理得到改性环氧树脂胶粘剂胶液[7],分别采用自制模具浇注成力学性能测试试样。

1.4 与性能测试

(1)冲击性能:根据ASTM D256-2010(R2018)《测定塑料抗摆冲击性能的标准试验方法》进行,试样尺寸为80×10×4(mm)(无缺口)。

(2)剪切强度:根据GB/T 7124-2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定》进行剪切单搭接试样的拉伸剪切强度测试,粘结面尺寸为12.5mm×25mm,拉伸速率为1mm/min。

(3)拉伸性能、抗弯性能和压缩性能:根据GB/T 2567-2008《树脂浇铸体性能试验方法》进行。

2 试验结果与分析

2.1 增韧剂

图1 为增韧剂A 添加量对胶粘剂试件剪切强度的影响,固化温度分别为60℃和80℃,固化时间都为3h。

图1 增韧剂A 添加量对胶粘剂试件剪切强度的影响Fig.1 Effect of toughening agent A on shear strength of adhesive specimens

由图1 可见,当固化温度为60℃、固化时间为3h时,随着增韧剂丁腈添加量的增加,胶粘剂试件的剪切强度呈现先增加后降低的趋势,在丁腈添加量为10% 时取得剪切强度最大值；当固化温度为80℃、固化时间为3h 时,随着增韧剂丁腈添加量的增加,胶粘剂试件的剪切强度呈现逐渐增加的趋势,且在相同丁腈添加量时,固化温度80℃的胶粘剂试件的剪切强度都要高于固化温度60℃的胶粘剂试件。这主要是因为较高的固化温度会使得丁腈与环氧树脂的反应更加剧烈,相同固化时间下二者的反应更加充分,更加有利于提升胶粘剂试件的剪切强度[8-10]。此外,虽然固化温度为80℃时胶粘剂试件的剪切强度整体呈现随着丁腈添加量增加而增大的特征,但是当丁腈添加量达到10% 时,继续增加丁腈添加量对剪切强度的影响并不大,考虑到增韧剂的添加可能额外增加成本以及影响其他力学性能,因此,适宜的丁腈添加量建议为10%。

表2 为优化增韧剂A 添加量下胶粘剂试件的综合性能,固化温度为80℃、固化时间为3h。

表2 优化增韧剂A 添加量下胶粘剂试件的综合性能Table 2 Comprehensive properties of adhesive specimens with optimized toughening agent A

图2 为增韧剂B 添加量对胶粘剂试件剪切强度的影响,固化温度为60℃,固化时间为3h。可见,随着增韧剂B 添加量的增加,胶粘剂试件的剪切强度呈现先增加后降低的趋势,在增韧剂B 添加量为15% 时取得剪切强度最大值。由此可见,增韧剂B的添加量并不是越多越好,在增韧剂B 添加量小于15% 时,胶粘剂试件的剪切强度会随着增韧剂B 添加量增加而增大,而后继续增加增韧剂B 添加量,胶粘剂试件的剪切强度会急剧减小,适宜的增韧剂B 添加量建议为15%。这主要是因为适量增韧剂B 可以在固化过程中分解出端羧基丁腈并均匀分散在基体中[11],而过量增韧剂B的添加会造成分解出的端羧基丁腈在基体中的聚集,在受外力作用时容易产生应力集中并萌生裂纹[12],从而造成剪切强度的下降。

图2 增韧剂B 添加量对胶粘剂试件剪切强度的影响Fig.2 Effect of toughening agent B on shear strength of adhesive specimens

表3 为优化增韧剂B 添加量下胶粘剂试件的综合性能,固化温度为60℃、固化时间为3h。

表3 优化增韧剂B 添加量下胶粘剂试件的综合性能Table 3 Comprehensive properties of adhesive specimens with optimized toughening agent B

对比表2的优化增韧剂A 添加量下胶粘剂试件的综合性能可知,优化增韧剂B 添加量下胶粘剂试件的抗拉强度、拉伸弹性模量、抗弯强度和抗压强度都要低于优化增韧剂A 添加量下胶粘剂试件,但是断后伸长率和剪切强度要高于后者。这也就说明,端羧基丁腈作为增韧剂添加对韧性的贡献要优于丁腈。

2.2 固化温度

表4 为不同固化温度下增韧剂改性胶粘剂试件的剪切强度和弯曲强度。从剪切强度测试结果来看,随着固化温度从60℃增加至140℃,增韧剂A 改性的胶粘剂试件的剪切强度逐渐增大,在固化温度为140℃时,增韧剂A 改性的胶粘剂试件的剪切强度为33.50MPa；随着固化温度从60℃增加至140℃,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的剪切强度也逐渐增大,在固化温度为140℃时,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的剪切强度为35.26MPa；在相同固化温度下,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的剪切强度要高于增韧剂A 改性的胶粘剂试件。从弯曲强度测试结果来看,随着固化温度从60℃增加至140℃,增韧剂A 改性的胶粘剂试件的弯曲强度先增加后减小,在固化温度为100℃时取得最大值(102MPa)；随着固化温度从60℃增加至140℃,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的弯曲强度也呈现先增大后减小特征,在固化温度为100℃时取得最大值(82MPa)；在相同固化温度下,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的弯曲强度要小于增韧剂A 改性的胶粘剂试件。

表4 不同固化温度下增韧剂改性胶粘剂试件的剪切强度和弯曲强度Table 4 Shear strength and bending strength of toughening agent modifi ed adhesive specimens at diff erent curing temperatures

表5 为不同固化固化温度下增韧剂改性胶粘剂试件的冲击强度。可见,对于增韧剂A 改性的胶粘剂试件,随着固化温度从60℃增加至140℃,胶粘剂试件的冲击强度呈现先增加后减小的特征,在固化温度为100℃时取得冲击强度最大值22.57kJ/m2；对于增韧剂B 改性的胶粘剂试件,随着固化温度从60℃增加至140℃,胶粘剂试件的冲击强度也呈现先增加后减小的特征,在固化温度为100℃时取得冲击强度最大值23.25kJ/m2。在相同固化温度下,增韧剂A 改性的胶粘剂试件的冲击强度都要低于增韧剂B 改性的胶粘剂试件,这主要与增韧剂B 更加有利于改善胶粘剂试件的韧塑性有关[13]。

表5 不同固化温度下增韧剂改性胶粘剂试件的冲击强度(kJ/m2)Table 5 Impact strength of toughening agent modified adhesive specimens at different curing temperatures

综合表4 和表5的测试结果可知,相同固化温度下,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的剪切强度要高于增韧剂A改性的胶粘剂试件,且增韧剂改性的胶粘剂试件的剪切强度会随着固化温度升高而增大；相同固化温度下,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的弯曲强度要小于增韧剂A 改性的胶粘剂试件,且在固化温度为100℃时增韧剂改性的胶粘剂试件的弯曲强度取得最大值。相同固化温度下,增韧剂A 改性的胶粘剂试件的冲击强度都要低于增韧剂B 改性的胶粘剂试件,且在固化温度为100℃时增韧剂改性的胶粘剂试件的冲击强度最大,表明此时胶黏剂试件的韧性最好[14],更适合作为高韧性胶粘剂而在舞蹈器材中使用。

3 结论

(1)随着增韧剂A 丁腈-40 添加量的增加,胶粘剂试件的剪切强度呈现先增加后降低的趋势,在丁腈添加量为10% 时取得剪切强度最大值；在相同丁腈添加量时,固化温度80℃的胶粘剂试件的剪切强度都要高于固化温度60℃的胶粘剂试件。

(2)随着增韧剂B 添加量的增加,胶粘剂试件的剪切强度呈现先增加后降低的趋势,在增韧剂B 添加量为15% 时取得剪切强度最大值。优化增韧剂B 添加量下胶粘剂试件的抗拉强度、断后伸长率、拉伸弹性模量、抗弯强度、抗压强度和剪切强度分别为46.72MPa、5.06%、2085MPa、74.46MPa、73.64MPa 和31.37MPa。

(3)相同固化温度下,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的剪切强度要高于增韧剂A 改性的胶粘剂试件,且增韧剂改性的胶粘剂试件的剪切强度会随着固化温度升高而增大；相同固化温度下,增韧剂B 改性的胶粘剂试件的弯曲强度要小于增韧剂A 改性的胶粘剂试件,且在固化温度为100℃时试件的弯曲强度取得最大值。相同固化温度下,增韧剂A 改性的胶粘剂试件的冲击强度都要低于增韧剂B 改性的胶粘剂试件,且在固化温度为100℃时试件的冲击强度最大。