張 頎，何 智

(1.西安體育學(xué)院，陜西 西安 710068； 2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

環(huán)氧樹脂膠粘劑由于具有粘接性能較好、價(jià)格低廉和使用便捷等特性而在現(xiàn)代體育器械中有著廣泛應(yīng)用。要想獲得性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂膠粘劑，在制備過程中需要嚴(yán)格控制好環(huán)氧樹脂基料、固化劑和改性劑等的種類和含量。作為羽毛球器械用環(huán)氧樹脂膠粘劑，其力學(xué)性能是重要的考核指標(biāo)，已有的許多增韌改性技術(shù)雖然在一定程度上提高了環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的韌性，但是拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等有較大的下降。如何在不降低環(huán)氧樹脂膠粘劑試件韌性的基礎(chǔ)上，提升膠粘劑試件的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等是值得研究的課題。本研究考察了聚氨酯(PU)對環(huán)氧樹脂膠粘劑試件力學(xué)性能的影響，此舉有助于高綜合性能環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的開發(fā)與應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

E-51型雙酚A型環(huán)氧樹脂(工業(yè)級，深圳市海能化工有限公司)、聚氨酯預(yù)聚體(工業(yè)級，東莞市天之鴻塑化有限公司)、脫模劑(工業(yè)級，廣州市壹諾化工科技有限公司)、二氨基二苯砜(分析純，武漢遠(yuǎn)成共創(chuàng)科技有限公司)、無水乙醇(純度99.5%，濟(jì)寧博誠化工有限公司)。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

PX225型電子天平(浙江納德科學(xué)儀器有限公司)、DT88型超聲波清洗器(北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司)、dzf-6020B智能電熱真空干燥箱(上海東麓儀器設(shè)備有限公司)、HV-1000A型顯微硬度計(jì)(萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司)、WDW-50E型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南恒旭試驗(yàn)機(jī)技術(shù)有限公司)。

1.3 試驗(yàn)制備

聚氨酯環(huán)氧樹脂膠粘劑的具體配置方案如表1；圖1為聚氨酯環(huán)氧樹脂澆注體的制備方案，制備后根據(jù)試驗(yàn)需要加工成相應(yīng)的形狀。

表1 聚氨酯環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的配置方案

圖1 聚氨酯環(huán)氧樹脂澆注體的制備方案

1.4 測試與表征

(1)硬度：采用顯微硬度計(jì)測試(載荷為50 N、保持載荷時(shí)間為15 s，測試結(jié)果取5點(diǎn)平均值)；

(2)拉伸性能：根據(jù)ASTM D638—2014《塑料拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試(在室溫條件下，拉伸速率為1.5 mm/min，取3組試樣的平均值)；

(3)室溫彎曲性能：根據(jù)ASTM D790—2017《未加強(qiáng)和加強(qiáng)塑料與電氣絕緣材料的彎曲性能》標(biāo)準(zhǔn)，采用微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試(在室溫條件下，加載速率為1.5 mm/min，取3組試樣的平均值)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

聚氨酯含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑硬度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 聚氨酯含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑硬度的影響

由圖2可知，隨著環(huán)氧樹脂中改性劑聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～20%，環(huán)氧樹脂膠粘劑的硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，改性膠粘劑的顯微硬度降低至22.41 MPa，相較于未添加聚氨酯的膠粘劑的硬度約降低了14.0%；改性劑聚氨酯的添加使得環(huán)氧樹脂膠粘劑硬度呈現(xiàn)不同程度的降低，且聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高則膠粘劑硬度越低。這主要是由于聚氨酯的加入會造成環(huán)氧樹脂膠粘劑中異氰酸酯基與羥基發(fā)生化學(xué)接枝反應(yīng)，從而降低了環(huán)氧樹脂膠粘劑的交聯(lián)密度；環(huán)氧樹脂膠粘劑的硬度會相應(yīng)地減小。

不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可知，聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的相對最大拉力和應(yīng)變也都明顯不同。其中，聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相對最大拉力較大，對應(yīng)的應(yīng)變也較高；而聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，相對最大拉力較小，對應(yīng)的應(yīng)變也較低。

圖4為不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉伸性能。

圖4 不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉伸性能

由圖4可知，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的抗拉強(qiáng)度隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先增加后減小的趨勢。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，取得抗拉強(qiáng)度的相對最大值，約62.23 MPa。此外，對比分析可知，添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的抗拉強(qiáng)度都要高于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件。

圖5為聚氨酯含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑試件拉伸彈性模量的影響。

圖5 聚氨酯含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉伸彈性模量的影響

由圖5可知，隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加至20%，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉伸彈性模量并不呈線性變化，且變化幅度較小。由此表明，聚氨酯添加不會對環(huán)氧樹脂膠粘劑試件拉伸彈性模量產(chǎn)生明顯影響。

不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉斷伸長率測試結(jié)果，具體如圖6所示。

圖6 不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的斷裂伸長率測試結(jié)果

由圖6可知，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的斷裂伸長率隨著聚氨酯含量的增加呈先增加后減小的態(tài)勢。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，取得拉斷伸長率的相對最大值，約3.61%。此外，對比分析可知，添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的斷后伸長率都要高于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件。由此可見，聚氨酯的添加有助于提升環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉斷伸長率。

2.2 彎曲性能

不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知,不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的相對最大彎曲應(yīng)力和彎曲應(yīng)變都明顯不同。其中，聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)具有相對最大的彎曲拉力，對應(yīng)的彎曲應(yīng)變也相對最高。

圖7 不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件彎曲強(qiáng)度的測試結(jié)果，具體如圖8所示。

圖8 不同聚氨酯含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度的影響

由圖8可知,環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度隨著聚氨酯含量增加呈先增加后減小的態(tài)勢，在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)取得彎曲強(qiáng)度的相對最大值，約122.22 MPa，相較于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件約提高了25%。當(dāng)聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時(shí)，繼續(xù)增加聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)會使得試件的彎曲強(qiáng)度有一定程度減??；但是仍然高于未添加聚氨酯的試件。由此可見，添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度都要高于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件，聚氨酯添加可以在一定程度上提高試件的彎曲強(qiáng)度，這與聚氨酯添加與環(huán)氧樹脂發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)而形成聚合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有關(guān)。

聚氨酯含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑試件彎曲模量的影響，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知,環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量隨著聚氨酯含量增加并不呈線性變化，且變化幅度較小。聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí)，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量都高于聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的試件，彎曲模量分別為3.22、3.20 GPa；隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量有所降低；但是仍然高于聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的試件。由此表明，聚氨酯添加會一定程度提高環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量。這主要是因?yàn)楫?dāng)在環(huán)氧樹脂膠粘中添加聚氨酯時(shí)，聚氨酯會與環(huán)氧樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成聚合物網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而在增強(qiáng)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件彎曲強(qiáng)度的同時(shí)，一定程度上提升了彎曲模量。

圖9 聚氨酯含量對環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量的影響

3 結(jié)語

(1)隨著羽毛球器械用環(huán)氧樹脂中改性劑聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～20%，環(huán)氧樹脂膠粘劑的硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，改性膠粘劑的顯微硬度降低至22.41 MPa，相較于未添加聚氨酯的膠粘劑的硬度約降低了14.0%。改性劑聚氨酯的添加會使得環(huán)氧樹脂膠粘劑硬度呈現(xiàn)不同程度的降低，且聚氨酯含量越高、則膠粘劑硬度越低；

(2)羽毛球器械用環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的抗拉強(qiáng)度隨著聚氨酯含量增加呈先增加后減小的態(tài)勢，在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)取得抗拉強(qiáng)度的相對最大值，約62.23 MPa。隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～20%，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量并不呈線性變化，且變化幅度較?。?/p>

(3)隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～20%，羽毛球器械用環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度呈先增加后減小的態(tài)勢。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，取得了彎曲強(qiáng)度的相對最大值，約122.22 MPa，相較于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件約提高了25%。聚氨酯添加會在一定程度提高環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量。