江畹蘭 編譯

（華南理工大學(xué)材料學(xué)院, 廣東 廣州 510641）

經(jīng)納米纖維改性的88CA膠粘劑對其粘合性能的影響

江畹蘭 編譯

（華南理工大學(xué)材料學(xué)院, 廣東 廣州 510641）

向88CA膠粘劑中加入4～5份納米碳纖維，可使橡膠與金屬的粘接強(qiáng)度提高30%～40%。

納米碳纖維；88CA膠粘劑；粘接性能

目前,生產(chǎn)具有規(guī)定綜合性能及全新性能的膠粘劑,依然是一項(xiàng)極為復(fù)雜及困難重重的研究課題。數(shù)十年來,人們對生產(chǎn)和應(yīng)用各種類型粘合材料的興趣大增,在全球范圍內(nèi),包括彈性體材料在內(nèi)的膠粘劑及密封材料的生產(chǎn)規(guī)模及銷售量迅猛增長。

粘接強(qiáng)度問題一般可通過采用新型材料來解決,粘合性是其基本性能指標(biāo)之一。氰基丙烯酸酯及厭氧固化的對稱二丙烯酸酯二甘醇等即屬此類材料,它們本身就具有高粘合性能。提高粘合強(qiáng)度的第二種方法,就是依靠加入增強(qiáng)組分以提高膠粘劑的內(nèi)聚力。在這種情況下,提高粘合強(qiáng)度的問題,不僅涉及到尋找新型材料來改善粘合體系的各項(xiàng)性能,而且還關(guān)系到該體系的標(biāo)準(zhǔn)化問題,目的是測定膠粘劑彈性性能參數(shù)與應(yīng)力-形變狀態(tài)是否一致。

目前,在描述橡膠彈性的狀態(tài)方程式中,未考慮體積彈性的貢獻(xiàn)。在單軸拉伸時(shí),橡膠的形變行為假設(shè)為不可壓縮性。與此同時(shí),在復(fù)雜的形變狀態(tài)下,體積彈性的作用還是相當(dāng)重要的。此種狀況往往存在于橡膠-金屬復(fù)合物中,也存在于和硬性表面交界的橡膠層里。這樣,便導(dǎo)致所觀察到的結(jié)合強(qiáng)度大大低于假設(shè)的強(qiáng)度,而此強(qiáng)度乃根據(jù)單軸拉伸時(shí)橡膠的強(qiáng)度假設(shè)的。因此,在確定橡膠強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí),合理地考慮了體積彈性的作用。

研究橡膠粘合性能后所得到的結(jié)果表明,在復(fù)雜的形變狀態(tài)下,由橡膠體積彈性導(dǎo)致的對強(qiáng)度影響的效應(yīng),比變更形變方式的效應(yīng)要大得多。這也是為什么盡管內(nèi)聚性能遭到破壞,但橡膠金屬復(fù)合物試樣的額定強(qiáng)度,幾乎比標(biāo)準(zhǔn)橡膠試樣的強(qiáng)度低50%的原因。

為了舉例說明彈性體基膠粘劑與被粘物在粘合破壞瞬間,其應(yīng)力-形變狀況上的差異,在圖1上示出了用動態(tài)有限元方法計(jì)算的、在橡膠金屬復(fù)合物試樣法向破壞時(shí),膠粘劑和被粘物（橡膠）中應(yīng)力張量強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系曲線。在該項(xiàng)計(jì)算中,再次得出了試樣尺寸和額定負(fù)荷。圖1還示出了變形波從橡膠試樣夾具至金屬墊片表面通過時(shí),其中部斷面上應(yīng)力張量的強(qiáng)度曲線。從圖1看出,應(yīng)力-應(yīng)變特性產(chǎn)生了明顯的差異。對應(yīng)力和應(yīng)變張量進(jìn)行的綜合分析表明,在膠粘劑中,實(shí)際上沒有切向應(yīng)力和形變,而法向應(yīng)力則比被粘物（橡膠）要大4倍。

圖1 有限元的應(yīng)力張量強(qiáng)度與時(shí)間的相關(guān)性曲線

因此,體積彈性效應(yīng)在粘合破壞時(shí),起著相當(dāng)大的作用。

眾所周知,使用高模量短纖維填充劑,是提高聚合物材料體積彈性模量的方法之一。此外,在彈性體基膠粘劑中如采用普通纖維,由于纖維厚度與膠粘劑層的厚度相當(dāng),因此,普通纖維可能會成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的缺陷,故很難予以應(yīng)用。有鑒于此,該文研究的目的,旨在評判用納米碳纖維來改性彈性體基膠粘劑的可能性。按事先的評估,納米纖維應(yīng)能在復(fù)雜的形變狀態(tài)下,促進(jìn)膠粘劑層中彈性體的交聯(lián)。

在研究中使用了由氯丁橡膠和酚醛樹脂制備的膠粘劑88CA,被粘物為СКИ-3（異戊二烯橡膠）、БНКС-28（丁腈橡膠）及СКМС-30 АРК（甲基丁苯橡膠）的填充膠料。它們通過改性膠粘劑與鋼材CT3粘合,而后進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)剝離試驗(yàn)。膠粘劑強(qiáng)度指標(biāo),系通過標(biāo)準(zhǔn)薄片法向剝離來確定。該薄片通過有效部位的端面,粘接在預(yù)先拋光的鋼質(zhì)半圓蓋上。試驗(yàn)在РМИ-60拉力機(jī)上進(jìn)行,下夾持器的移動速度為500 mm/min（此處原文似乎有誤，一般是以50 mm/min速度移動——譯者注）。

改性88CA膠粘劑所用的納米碳纖維是由弗拉基米爾（Владимир）大學(xué)碳納米材料研究中心合成的。合成方法是在碳?xì)浠衔锏拇呋呀膺^程中,進(jìn)行氣相化學(xué)沉淀。用過渡金屬Fe、Co、Ni納米微粒作為催化劑,再把這些微粒作為多孔載體（如MgO）,這些載體可以防止催化劑粒子燒結(jié),表1示出了碳納米管的技術(shù)特征。

用機(jī)械分散方法,將納米纖維分散于事先準(zhǔn)備好的膠粘劑溶液中,對膠粘過程進(jìn)行改性。

根據(jù)橡膠金屬復(fù)合物粘接強(qiáng)度的測試結(jié)果,進(jìn)行了分散性分析。由此明確了橡膠種類及膠粘劑中納米纖維的含量對粘接強(qiáng)度的影響是何等重要（見表2）。于是這些因素相互作用的效應(yīng)便顯得不是那么有意義。

表1 碳納米管的技術(shù)特性

表2 橡膠組分及膠粘劑中納米纖維的含量對粘接強(qiáng)度的影響

圖2 橡膠金屬復(fù)合物設(shè)定強(qiáng)度與改性粘合層及橡膠組分的關(guān)系

需要指出的是,在所有情況下,復(fù)合物被破壞都具有粘附特性。膠粘劑經(jīng)改性后,粘合薄膜的強(qiáng)度增加。但此時(shí)橡膠的適宜含量必須在4～5份之間。圖2示出了橡膠種類對含有適宜量納米纖維的粘合體系粘接強(qiáng)度的影響。若繼續(xù)增加納米纖維的用量,會使體系的粘接強(qiáng)度下降,黏度升高。正如電子顯微鏡的研究結(jié)果所表明的那樣,此種粘接強(qiáng)度下降是由于納米纖維在聚合物中的不良分散所致。鑒于上述原因,必須要擬定好混煉工藝,保證在不破壞其完整性的前提下,仍具有良好的分散性。

綜上所述,往膠粘劑中加入4～5份納米纖維可使橡膠金屬復(fù)合物的粘接強(qiáng)度提高30%～40%。而往膠粘劑中加入同樣數(shù)量的炭黑則達(dá)不到這一指標(biāo),這是因?yàn)榧{米纖維具有各向異性的緣故。正是這種各向異性使之在納米含量少的情況下,大大提高了橡膠的彈性變形性能。

[1] Барышеь А.С等. ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ КЛЕЯ 88CA НАНО ВОЛОК НАМИНА АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА[J]. Каучук и резина, 2013(1):31-33.

[責(zé)任編輯：張啟躍]

TQ 339

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2014-07-08

江畹蘭（1934 — ）,女,湖北省仙桃市人。1960年畢業(yè)于前蘇聯(lián)莫斯科羅蒙諾索夫精細(xì)化工學(xué)院。現(xiàn)任華南理工大學(xué)教授,從事聚合物結(jié)構(gòu)與變化的研究。