铝合金机械装备表面专用的改性环氧树脂胶粘剂性能研究

摘 要：金属材料的粘接是机械领域设备加工、维护等环节中经常出现的工艺操作，在传统的金属表面粘接过程中使用的粘胶剂粘接性能和耐老化性能有限，需要在进行金属粘接时对金属粘接界面进行非常精细的物化处理。研究以铝合金机械装备表面粘接为例，制备了一种环氧树脂胶粘剂，以聚酯丙烯酸酯树脂增韧改性E-51型环氧树脂，对该胶粘剂进行改性并对该胶粘剂的综合性能进行分析。结果表明，当该金属专用环氧树脂胶中的增韧剂含量为15份时，胶粘剂的剥离强度可以达到7.08 N/cm，剪切强度可以超过17.68 MPa，此时胶粘剂的综合性能最佳。

关键词：聚酯丙烯酸酯树脂；增韧改姓；环氧树脂胶粘剂；铝合金界面

中图分类号：TQ437+.4

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0026-04

Propertystudy of modifiedepoxy resin adhesive dedicatedfor aluminum alloy mechanical equipment surface

LIU Dongli

（Dongying Vocational Institute，Dongying 257091，Shandong China

）

Abstract：Bonding of metal materials is a process operation that often occurs in the mechanical field of equipment processing，maintenance and other aspects of the process.The adhesive used in the traditional metal surface bonding process has limited adhesive properties and aging resistance，and requires very fine physical and chemical treatment of the metal bonding interface when metal bonding is carried out.In this study，aluminum alloy mechanical equipment surface bonding was taken as an example，an epoxy resin adhesive was prepared.The adhesive was modified by using polyester acrylate resin toughened modified E51 epoxy resin，and the comprehensive properties of the adhesive were analyzed.The results showed that when the content of toughening agent in this metal-specific epoxy resin adhesive was 15 parts，the peelstrength of the adhesive couldreach 7.08 N/cm，and the shear strength couldexceed 17.68 MPa.In this case，the comprehensive performance of the adhesive was the best.

Key words：polyester acrylate resin;toughening and modification;epoxy resin adhesive;aluminum alloy interface

在传统的金属表面粘接过程中所使用的胶粘剂粘接性能和耐老化性能有限，需要在进行金属粘接时对金属粘接界面进行非常精细的物化处理，使粘接界面尽可能光滑。然而，这种传统的金属粘接表面处理工艺存在操作复杂、过程繁复等缺点，某些金属如铝合金等在进行常见的阳极化处理时还会因为材质、构造复杂问题而不具备进行阳极化处理的条件［1］。因此，如果能够尽可能提升胶粘剂自身的综合性能，将会极大地提升金属机械设备、装备、零部件等的粘接效果。研究制备了一種金属专用的环氧树脂胶粘剂，以聚酯丙烯酸酯树脂增韧改性E-51型环氧树脂，对该胶粘剂进行改性以提升其剥离强度和剪切强度等，旨在为金属专用胶粘剂的发展提供借鉴。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料与设备

1.1.1 实验材料

环氧树脂胶粘剂的制备通常需要用到环氧树脂、聚酰胺、苄基-2-甲胺等；环氧树脂胶粘剂的增韧改性需要用到聚酯丙烯酸酯树脂等［2-4］。表1所示为本实验所需各材料部分参数及其生产厂家等。

聚酰胺是构成胶粘剂中的固化剂的主要成分；苄基-2-甲胺的主要作用为聚酯丙烯酸酯树脂增韧改性环氧树脂提供催化效果。

1.1.2 实验设备

对铝合金机械装备表面粘接效果进行分析时，主要需要进行改性环氧树脂的傅立叶红外光谱测试、改性环氧树脂DSC分析等，需要用到的实验设备有电子恒温电热套、增力电动搅拌器等［5］。表2所示为本次实验所需实验设备及其生产厂家信息等。

1.2 实验方法

1.2.1 改性环氧树脂的制备

改性环氧树脂的制备过程并不复杂，在26 ℃环境下将200 g环氧树脂E51加入反应器中；按照5～20份的比例将聚酯丙烯酸树脂加入反应器中与环氧树脂进行混合；对反应器进行缓慢加热，并加入0.5 g苄基-2-甲胺，在催化作用下反应约2 h时间以后即可获得不同聚酯丙烯酸树脂含量的改性环氧树脂［6-8］。

1.2.2 粘接综合性能测试

（1）粘接综合性能测试需要首先制备几种金属粘接件。将相同材质的铝合金金属试片准备好以后，按照100∶        30∶         15的比例在铝合金表面涂抹不同聚酯丙烯酸树脂含量的改性环氧树脂、600#聚酰胺和Al2O3，然后将2块铝合金金属试片缓慢合拢，在电热鼓风箱作用下进行45 ℃的固化，经过72 h以后即可得到测试所需的试件；

（2）对测试样品进行傅里叶红外光谱测试。使用LSPEC 5300型红外光谱分析仪对粘接以后的测试样品进行红外测试，将测试样品充分干燥以后经过32次红外光谱扫描，扫描范围保持在400～4 000 cm2；

（3）对改性环氧树脂开展差示扫描量热法测试。在氮气环境下，将粘接实验保持10 ℃/min的速度进行升温至200 ℃，在这一时期观察环氧树脂胶粘剂的DSC数据，包括初始固化温度和最高峰对应的固化温度等；

（4）对材料的粘接界面微观形貌、综合粘接效果等进行分析。利用扫描电子显微镜观察试件的粘接界面微观形貌；利用万能拉力机、旋转黏度计等对试件的粘接剥离强度、剪切强度等进行分析，得到增韧剂含量对改性环氧树脂粘接强度的影响规律。

2 结果与分析

2.1 傅立叶红外光谱测试

对改性环氧树脂开展傅里叶红外光谱测试的主要目的，是为了观察该粘接材料是否发生了交联反应［9-12］。表3所示为未改性环氧树脂、5份聚酯丙烯酸酯树脂、10份聚酯丙烯酸酯树脂、20份聚酯丙烯酸酯树脂的傅里叶红外光谱测试结果对比情况。

由表3可知，从傅里叶红外光谱测试3 400 cm-1处结果来看，未改性的环氧树脂在该处的宽峰为羟基峰，在添加5份至20份改性材料以后，羟基峰的峰宽明显变宽且随着改性材料添加量的提升，峰宽有持续变宽的趋势。

从傅里叶红外光谱测试1 730 cm-1处结果来看，未改性的环氧树脂在该处的宽峰为酯基吸收峰，在添加5份至20份改性材料以后，酯基吸收峰的峰宽也明显变宽且随着改性材料添加量的提升，峰宽有持续变宽的趋势。

从傅里叶红外光谱测试1 029 cm-1处结果来看，未改性的环氧树脂在该处存在对称伸缩振动，而在添加5份至20份改性材料以后，这种对称伸缩振动情况明显更为剧烈，且随着改性剂添加量的提升这种振动量也明显提升。

从傅里叶红外光谱测试916 cm-1处结果来看，未改性的环氧树脂在该处的吸收峰较前几个特殊节点明显更弱，而改性剂的存在会使这种吸收峰减弱程度加剧。

可见，聚酯丙烯酸酯树脂增韧改性剂的存在显著影响了环氧树脂的傅里叶红外光谱测试结果，根据陈泽明等［13］的研究理论，可以认定聚酯丙烯酸酯树脂增韧改性剂与环氧树脂发生了交联反应。

2.2 差示扫描量热法测试

在利用聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂改性环氧树脂时，需要充分考虑增韧改性剂的添加量、固化剂的类型及升温速率对最终改性环氧树脂粘接初始固化温度和最高峰对应固化温度的影响［14-16］；表4为差示扫描量热法测试结果。

当聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂的添加量为0时，环氧树脂胶粘剂的初始固化温度为50.07 ℃，最高峰对应固化温度为90.08 ℃。这一结果与一般环氧树脂胶粘剂的性能测试结果一致。

随着聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂添加量的提升，改性环氧树脂胶粘剂的初始固化温度呈现出逐渐下降趋势，在添加20份增韧剂以后，胶粘剂的初始固化温度已经可以下降至45 ℃左右，较未改性环氧树脂胶粘剂初始固化温度下降约5 ℃，极大地提升了该胶粘剂的实际应用性；而材料最高放热峰对应固化温度的变化规律与初始固化温度的变化规律基本一致，在添加20份聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂时，最高放热峰对应固化温度可以下降约2.3 ℃。

2.3 粘接界面微观形貌

利用环氧树脂胶粘剂对铝合金机械设备、零件进行粘接时，粘接界面微观形貌过于光滑的问题始终难以解决。如果粘接界面微观形貌过于光滑往往表示粘接强度不足等。图1所示是聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂改性环氧树脂时粘接界面微观形貌变化情况，其中a、b、c、d、e分别对应聚酯丙烯酸酯樹脂增韧剂0份、5份、10份、15份和20份。

显然，当环氧树脂胶粘剂中不添加聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂时，粘接界面微观形貌极为光滑，只有极少数部分存在一定的不规则、不平整；随着增韧剂添加量的提升，粘接界面微观形貌的规则性越来越明显，当聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂添加量达到20份时，材料粘接界面微观形貌已经展现出极为明显的颗粒感，而这些不规则突起、颗粒能够为金属零部件提供更大的粘接强度。

2.4 剥离强度与剪切强度

剥离强度和剪切强度能够直接反映某种粘接材料的粘接效果。本文使用万能拉力机旋转黏度计等对铝合金试件的剥离强度和剪切强度进行测试，得到表5所示增韧剂添加量对环氧树脂胶粘剂粘接强度的影响规律。

由表5可知，当未添加聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂时，环氧树脂胶粘剂的剥离强度和剪切强度仅0.46 MPa、9.66 MPa，剥离强度过低这一问题与上述未添加聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂时环氧树脂胶粘剂粘接界面微观形貌过于光滑的这一结果相呼应。

当聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂添加量逐渐提升时，环氧树脂胶粘剂的剥离强度呈现出先提升后下降的变化状态，在增韧剂添加量为15份时，环氧树脂胶粘剂的剥离强度达到最高值7.08 MPa；剪切强度的变化状态与剥离强度的变化状态略有不同，整体呈现出不断提升变化状态，在增韧剂添加量为15份时达到最高值17.79 MPa，但与增韧剂添加量15份时的差距很小。

整体来看，当聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂添加量为15份时，改性环氧树脂胶粘剂的剥离强度和粘接强度分别可达7.08、17.68 MPa，为几组中最佳。

3 结语

（1）聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂的存在可以明显降低改性环氧树脂胶粘剂的初始固化温度，增韧剂添加量越高则初始固化温度越低。在进行金属机械零部件粘接时，初始固化温度和最终固化温度的降低能够使粘接条件更为宽松，降低金属机械零部件的粘接难度;

（2）聚酯丙烯酸酯樹脂增韧剂添加量的提升会明显改变粘接界面微观形貌，增韧剂添加量越高则粘接界面微观形貌越粗糙，而粗糙的粘接界面微观形貌无疑表示改性环氧树脂胶粘剂具有更好的粘接效果;

（3）聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂能够明显提升改性环氧树脂胶粘剂的剥离强度与剪切强度。综合来看，尽管添加15份聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂时环氧树脂胶粘剂的剪切强度略低于20份聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂，但此时环氧树脂胶粘剂的剥离强度优势更为明显。因此，添加15份聚酯丙烯酸酯树脂增韧剂时环氧树脂胶粘剂的粘接强度更高。

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收稿日期：2023-06-16；修回日期：2023-09-22

作者简介：刘东利（1975-），男，硕士，副教授，研究方向：机电、机械；E-mail：272541555@qq.com。

引文格式：刘东利.铝合金机械装备表面专用的改性环氧树脂胶粘剂性能研究［J］.粘接，2023，50（11）：26-29.