环氧胶粘剂拉伸抗剪强度的影响因素研究

林 浩

（山西省交通科技研发有限公司 新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西 太原 030032）

引 言

环氧类胶粘剂与固化剂发生化学反应形成环氧固化物，环氧固化物具有粘结强度高、机械性能好、抗腐蚀优异及电绝缘性好的优点。所以环氧类胶粘剂被广泛应用于土木建筑加固、汽车及航天器的部件粘接和电子器械的电路封装中[1～3]。

粘接界面的处理方式和界面环境是影响环氧胶粘剂粘接强度的重要因素。环氧胶粘剂与被粘物体间的粘接机理包括机械结合理论、吸附理论、静电理论、化学键理论和扩散理论等。对于每种粘接机理，基材表面的处理方式和条件均是获得良好粘接的前提，界面作用在一定程度上也决定粘接效果。另外胶粘剂在基材表面的润湿程度也是良好粘接强度的前提[4～6]。硅微粉常应用于环氧胶粘剂的改性中，其对环氧胶粘剂的固化物的力学性能有重要影响。硅微粉分为活性硅微粉和非活性硅微粉，活性硅微粉是将硅微粉偶联化处理制成，能使硅微粉与树脂发生交联，具有表面活性作用，提高树脂与硅微粉的粘结力和界面憎水性。活性硅微粉是无毒无味、亲油性好的白色粉末，其优点是耐酸碱腐蚀、耐温性好、化学稳定性好、硬度大等[7～9]。

本研究对比讨论了环氧胶粘剂中添加活性硅微粉和非活性硅微粉，对环氧胶粘剂在6种不同粘接界面及空气中和水下环境两种不同粘接环境粘结强度的影响规律。综合讨论了硅微粉、粘接界面处理方式和粘接环境对环氧胶粘剂粘结强度的影响。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

E-51环氧树脂，（工业级），蓝星化工新材料股份有限公司；400目活性硅微粉，（工业级），誉文硅微粉制品有限公司；400目非活性硅微粉，（工业级），誉文硅微粉制品有限公司；自制腰果酚改性胺类水下用环氧树脂固化剂[10]；TYS-145A型气相二氧化硅，山西天一纳米材料科技有限公司；无水乙醇，（分析纯），天津市大茂化学试剂厂。

砂纸和砂轮机，化工市场采购；100mm×25mm×1.8mm型C45#钢片，南京五金有限公司；BH-PS6050E型喷砂机，温州市百辉机械有限公司；SF0.4分散砂磨两用机，江阴市双丰机械有限公司；微机控制电子万能试验机；美特斯工业系统（中国）有限公司。

1.2 试样制备及测试

A组分环氧树脂、填料和触变剂按表1配比混合，用高速分散机分散均匀。

表1 各组分比例Table 1 The ratio of adhesive compositions

B组分固化剂合成按照2018年粘接杂志发表的论文“桥梁加固用腰果酚改性胺类低温固化剂分子的空间位阻效应研究”操作[10]，利用四乙烯五胺、多聚甲醛和腰果酚进行聚合反应，投料比例以物质的量计，其比例为0.8∶1.0∶0.8，首先多聚甲醛和腰果酚在0℃下冰浴搅拌0.5h后，用滴液漏斗加入四乙烯五胺，溶液的颜色逐渐变淡，随后反应温度升高至80℃，反应3h，减压蒸馏。砂轮机打磨、砂纸打磨、喷砂机打磨均对钢片端部处理2cm左右，裸露出崭新的界面；有机溶剂处理是对钢片端部3cm左右用乙醇擦拭3遍；钢片灼烧处理是将钢片至于马弗炉内500℃高温3h，然后清理掉表面杂质；空白处理未对钢片表面防腐油层做任何处理。试件制备及测试按照G B/T 7124-2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定》执行，对处理的钢片表面粘接搭接12～18cm。空气中固化的实验，钢片表面在干燥条件下涂胶粘接和养护。水下环境实验，按照G B/T 50728-2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术》以混凝土为基材湿面施工水下固化型结构胶的安全性鉴定部分制样及养护。

2 结果与分析

通过美特斯工业系统（中国）有限公司微机控制电子万能试验机测试试件力学性能，测试结果如图1。

图1 试件测试结果Fig.1 Results of all specimens

如图1所示，填料为活性硅微粉，在空气中固化的环氧固化物，相对于其他三组在7种不同的界面处理方式下，力学性能均最优，表面活性硅微粉是较优填料，且其更适合用于空气中使用的环氧胶粘剂的填料。

填料为活性硅微粉，在空气中固化的环氧固化物，钢-钢拉伸抗剪强度最小组为空白处理组，因其表面有防腐油层，导致环氧固化物与钢片表面形成弱界面，其次钢-钢拉伸抗剪强度较小组为是砂纸打磨组和喷砂机打磨组，可能的原因是二者打磨力度较小，钢片表面打磨欠佳，环氧固化物和钢片表面存在部分弱界面；砂轮机打磨组和有机溶剂处理组力学性能相似，因其对钢片表面防腐油层处理程度相同；而钢片灼烧处理组，力学性能最高，可能是因钢片灼烧表面除锈比较彻底。

填料为活性硅微粉，在水下环境固化的环氧固化物中，喷砂机打磨组、有机溶剂处理组和钢片灼烧组的钢-钢拉伸抗剪强度较小，强度低于空白处理组，可能的原因是三种处理方式，钢片界面形成的沟槽较小，且防腐油层破坏比较彻底，导致形成水膜隔离层，沟槽小和水膜隔离层双重作用下，导致其力学性能较小。

填料为非活性硅微粉，在空气中固化的环氧固化物中，钢片灼烧组钢-钢拉伸抗剪强度最大，钢片灼烧表面除锈较彻底；而有机溶剂处理组的环氧固化物钢-钢拉伸抗剪强度最低，强度已经低于空白处理组。

填料为非活性硅微粉，在水下环境固化的环氧固化物中，有机溶剂处理组、钢片灼烧组和空白处理组的钢-钢拉伸抗剪强度较低，可能的原因是此三组界面形成的沟槽较小。

3 结语

综上所述，影响环氧胶粘剂钢-钢拉伸抗剪强度的界面因素包括钢片的防腐油层、钢片界面打磨沟槽的深度两个因素，但其在不同的固化环境，两个因素的影响程度不同。

填料为活性硅微粉，在空气中固化的环氧结构胶实验中，通过灼烧彻底去除钢片表面的防腐油层，环氧粘钢胶固化物的钢-钢拉伸抗剪强度力学性能最高，钢片表面防腐油层膜未做任何处理的空白处理组的环氧粘钢胶的固化物的钢-钢拉伸抗剪强度力学性能最低，此体系中钢片油膜去除程度对环氧固化物钢-钢拉伸抗剪强度起到主要作用；填料为活性硅微粉，在水下环境固化的环氧结构胶实验中，环氧固化物力学性能较低的为喷砂机打磨组、有机溶剂处理组和钢片灼烧组，此体系中钢片沟槽大小对环氧固化物钢-钢拉伸抗剪强度起到主要作用。

填料为非活性硅微粉，在空气中固化的环氧结构胶实验中，同样是通过灼烧彻底去除钢片表面的防腐油层，环氧粘钢胶固化物的钢-钢拉伸抗剪强度力学性能最高，但钢片表面未做任何处理的空白组和有机溶剂处理组的环氧粘钢胶的固化物的钢-钢拉伸抗剪强度力学性能较低，此体系中整体也符合钢片的油膜对环氧固化物钢-钢拉伸抗剪强度起到主要作用的规律，但有机溶剂处理组规律出现异常，还需进一步探索。

填料为非活性硅微粉，在水下环境固化的环氧结构胶实验中，砂轮机打磨组环氧结构胶钢-钢拉伸抗剪强度最高，因其沟槽深度最深，而有机溶剂处理、钢片灼烧和空白处理组的环氧粘钢胶的钢-钢拉伸抗剪强度较低，因其三者表面未形成沟槽，所以此体系中沟槽深度是影响其环氧固化物钢-钢拉伸抗剪强度的重要因素。