张孝阿   张军营

(北京化工大学材料科学与工程学院胶接材料与原位固化技术研究室,北京100029)

摘要：根据车间内钢梁上吊车轨道安装底板与钢梁粘接的具体要求,研制了一种中温固化双组分环氧胶粘剂。 探讨了E-51、E-39D和纳米碳酸钙用量对甲组分粘度的影响,测试了不同促进剂的胶粘剂凝胶时间并研究了 粘接表面处理、中温固化时间对胶粘剂剪切强度的影响。结果表明,通过选用不同粘度的环氧树脂并添加纳米 碳酸钙,控制甲组分粘度在8~20Pa·s,选用促进剂M3份,表面制备并采用偶联剂处理后,100℃下固化2h 后,该胶铝-铝、钢-钢剪切强度可达45MPa和51MPa,实现了胶粘体系中温高强度快速固化。室温放置20h 后钢-钢剪切强度为5·8MPa,可以安装加热设备以便后固化。

关键词：双组分;高强度;环氧胶粘剂;中温;快速固化;吊车轨道;钢梁

中图分类号：TQ433·437　文献标识码:A　文章编号:1002-7432(2008)04-0022-03

0　引　言

在传统工艺上,车间内钢梁上吊车轨道安装底 板与钢梁的连接通常采用焊接的方法。然而焊接容 易产生应力集中,而且焊接时产生的高温极易破坏 钢梁,造成力学性能的损失[1]。因此安装底板与钢 梁的连接如能采用粘接方式实现,可使钢梁免受高 温,从而提高整个钢结构的耐久性。钢梁粘接用胶 粘剂必须中温固化以保证钢材结构不受破坏,同时 需要有高的粘接强度。本文选用强度高、韧性好的 氨基聚醚固化环氧体系[2],研制了一种中温固化的 双组分高强度环氧胶粘剂。胶粘剂选用不同环氧基料组合,得到粘度可控的体系。通过特制促进剂, 实现了中温快速固化[3],钢-钢粘接的剪切强度达 到51MPa,满足了钢梁粘接要求。

1　实验部分

1·1　材　料

双酚A型环氧树脂(E-51、E-39D),无锡树脂厂;端氨基聚醚(T-403、D-400),扬州晨化集 团有限公司;聚醚多元醇(220),绍兴市恒丰聚氨 酯实业有限公司;叔胺类促进剂(399-1、K-54), 深圳佳迪达化工有限公司;促进剂M,由哌嗪、三 乙醇胺、N-乙基哌嗪3者以质量比20∶60∶20混合 制得[4];纳米碳酸钙(101I),河南科力新材料有限 公司;丙酮、乙醇、重铬酸钠、硫酸、盐酸等,分 析纯;铝片(LY12-CZ)、钢片(1Cr18Ni9Ti);80~ 100目砂布。

1·2　仪　器

65型三辊研磨机,秦皇岛长宝机械有限公司; NDJ-8S型旋转粘度计,上海精密科学仪器有限公 司;凝胶时间测试用恒温平台,自制;Instron- 1185万能材料试验机,美国。

1·3　试验方法

甲组分配制:E-5150~100份、E-39D0~ 50份、聚醚多元醇(220)15份、纳米碳酸钙10~30 份,混合均匀,在三辊研磨机上研磨2次。 乙组分配制:D-40050份、T-40350份、促 进剂3份、纳米碳酸钙15份,混合均匀,在三辊 研磨机上研磨2次。

铝片(LY12-CZ)表面处理方法[5]:用丙酮擦 洗除去表面油脂,而后用80~100目的砂布打磨进 行表面粗化,最后化学法进行表面制备。化学处理 方法为:铝片放入66~71℃的水、重铬酸钠、浓 硫酸(质量比30∶1∶10)的混合溶液中,恒温10~12 min,取出后热水洗、醇洗,烘干备用。

钢片(1Cr18Ni9Ti)表面处理方法[6,7]:脱脂、打 磨工序与铝片处理相同。化学处理方法为:钢片放 入30~40℃的5%盐酸水溶液中处理1~2min,热 水洗、醇洗,烘干备用。

偶联剂溶液的配制:0·8%的KH-550-乙醇溶液。

剪切强度按照GB/T7124—1986进行测定。

2　结果与讨论

2·1　E-39D、纳米碳酸钙用量对甲组分粘度的影响 由于季节的不同,施工现场温差很大,为了使 胶粘剂在不同温度下都有好的工艺性,必须研制不 同粘度的胶粘剂配方。甲组分的粘度随温度变化明 显,故选择了粘度相差较大的2种环氧树脂E-51 和E-39D,配合适量的纳米碳酸钙,得到不同粘度 的胶粘剂甲组分。表1为E-39用量与甲组分粘度 的关系。其中纳米碳酸钙用量为15份。由于E- 39D粘度较大,测试温度定为30℃以方便测量。 E-51用量为80份、E-39D用量为20份时,在甲组分中添加不同质量的纳米碳酸钙,也可得到 不同粘度的甲组分,结果如表2所示。

由表1和表2可看出,选择不同的E-39D和纳 米碳酸钙用量,可得到30℃下粘度在8~20Pa·s、具 有适当触变性[8]的甲组分,充分满足施工要求。 2·2　促进剂种类和用量对胶粘剂凝胶时间的影响 为了获得高粘接强度,选择主链为聚醚的多元 胺固化剂T-403、D-400,同时以结构相似的聚 醚多元醇为增韧剂配制了甲乙质量比为3∶1的胶粘 剂。固化剂中氨基相连的碳原子上连有甲基,甲基 的屏蔽效应使得氨基活性降低,赋予胶粘剂较长的 适用期。然而固化温度选定后,必须尽可能地缩短 固化时间以降低能耗。我们选择了氨基聚醚常用的 促进剂399-1、K-54,同时自制了促进剂M。表 3为采用不同促进剂时胶粘剂在不同温度下的凝胶 时间,促进剂用量选为1份。

表3数据显示,与399-1和K-54相比,促 进剂M能更好地缩短胶粘剂的凝胶时间。图1为80℃下不同促进剂M用量对应的胶粘剂的凝胶时 间。由图1看出,促进剂M用量由1份增至3份 时,胶粘剂凝胶时间大幅度缩短,而促进剂M用 量超过3份后,凝胶时间随M增多变化不明显。 因此,促进剂M的用量以3份为宜。促进剂M的 用量为3份时,80℃下凝胶时间在35min左右, 因此温度在90~110℃范围内可调节凝胶时间在10 ~15min之间,满足中温固化要求。

2·3　中温固化铝-铝、钢-钢粘接试片的剪切强度 采用不同方法对试片进行表面处理,铝-铝、 钢-钢粘接的剪切强度如表4所示。胶粘剂中E-51 与E-39D质量比为80/20,采用促进剂M,固化条 件:100℃/2h。由表4看出,对于铝-铝粘接,试 片化学处理作用不大,剪切强度只提高了5·3MPa, 而偶联剂作用较大,其剪切强度提高了15·8MPa; 对于钢-钢粘接,化学处理也使强度提高了5·5 MPa,而采用偶联剂使强度提高了10MPa,说明偶 联剂对钢-钢粘接的作用比铝-铝粘接小。

由表4还可看出,对试片表面只进行脱脂、打 磨,胶对钢片的粘接剪切强度可达35·5MPa,而界 面经过适当处理,强度可达40~50MPa。

为了确定最佳固化时间,100℃下每隔0·5h 取出粘接试片进行剪切强度的测试,结果如图2所 示。可以看出,铝-铝、钢-钢粘接试片固化2h 时粘接强度最大,再继续固化强度呈轻微降低。

2·4　室温固化钢-钢粘接试片的剪切强度

钢梁上吊车轨道安装底板与钢梁粘接后,需要 加热固化,因此要求粘接具有一定强度后才能安装 加热设备,以免底板发生滑移。图3是钢-钢粘接 试片23℃固化不同时间的剪切强度。其中钢片只 进行脱脂和打磨,不进行化学处理。

由图3可以看出,室温放置20h左右,钢- 钢粘接剪切强度为5·8MPa,可以安装加热设备进 行固化。

3　结　论

1)研制了一种中温固化双组分高强度环氧胶 粘剂,通过选用不同粘度的环氧树脂并添加纳米碳 酸钙,控制甲组分粘度在8~20Pa·s;

2)选用促进剂M为3份,实现了胶粘体系中 温快速固化;

3)表面制备并采用偶联剂处理后,120℃/2h 固化后铝-铝、钢-钢粘接剪切强度达45MPa和 51MPa。

4)钢-钢粘接室温放置20h左右,剪切强度 为5·8MPa,可以安装加热设备进行固化。

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