硫酸钙晶须改性环氧胶粘剂的研究
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于福家,王泽红,韩跃新,袁致涛(东北大学)
摘要:硫酸钙晶须是由生石膏制备而成的新型非金属材料。以硫酸钙晶须为填充剂,进行了配制环氧胶粘剂的研究。考察了硫酸钙晶须对环氧胶粘剂性能的影响,并与目前常用的几种填充剂进行比较。比较结果表明,其抗伸强度可提高50%～120%,剪切强度相对可提高40%～140%,效果明显。硫酸钙晶须是胶粘剂非常优良的填充剂。
关键词:硫酸钙晶须;填充剂;胶粘剂
硫酸钙晶须是以生石膏为原料经特定工艺及配方合成的硫酸钙纤维状单晶体。它具有均匀的横截面、完整的外形和高度完善的内部结构,是一种有着许多特殊性能的非金属材料。硫酸钙晶须应用于高分子材料,不仅能够增强、增韧,而且还能起到增稠、耐热、耐磨、耐油等作用。本研究以硫酸钙晶须为填料,在实验室进行了配制环氧树脂胶粘剂的试验研究。研究中着重考察了硫酸钙晶须对环氧胶粘剂强度、韧性、耐热及触变性的影响。结果表明,以硫酸钙晶须作填充剂配制的环氧胶粘剂与常用的填充剂相比,不仅具有明显的增强、增韧、增稠、耐热、耐磨、耐油及触变性高等特点,而且配制胶粘剂的综合成本并不提高。可以说,硫酸钙晶须在胶粘剂中的应用有着十分广泛的前景。
1试验材料及设备
硫酸钙晶须,由东北大学研制开发。硫酸钙晶须的主要性能见表1。为了便于比较,试验中还选用了目前配制环氧胶粘剂最常用的几种填充剂:石英粉(工业级)、氧化铝粉(沈阳试剂二厂生产)、超细硅酸铝(河北廊坊津固化工厂生产)和沉淀法白炭黑(沈阳东北化工厂生产)。试验用树脂为E-44环氧树脂,由江苏三木集团公司生产。KH-550硅烷偶联剂,由盖州市化学有限责任公司生产,其化学成分为H2NCH2CH2CH2Si—(OC2H5)3。
试验中对各种填充剂配制的环氧胶粘剂分别按国家标准GB6329-86和GB7124-86制成拉伸试件和拉伸剪切试件,由材料拉力试验机测定其拉伸强度和剪切强度。填充剂的加入量,采用每100份E-44环氧树脂中加入的填充剂的份数phr来表示。
2试验内容及结果
2.1不同填充剂配制的环氧胶粘剂性能对比
在其它条件不变的情况下,分别以相同量(均为20phr,即20份数,下同)的硫酸钙晶须、石英粉、三氧化二铝粉、沉淀法白炭黑和超细硅酸铝为填充剂,配制环氧胶粘剂,然后按标准分别测出这几种胶粘剂的拉伸强度和剪切强度。测试结果见表2。
从表2可看出,以硫酸钙晶须为填充剂配制的环氧胶粘剂强度最高。
2.2硫酸钙晶须用量对环氧胶粘剂强度的影响
图1和图2示出了硫酸钙晶须用量与所配制的胶粘剂的拉伸强度和剪切强度的关系。从图1、图2可见,硫酸钙晶须用量在10～30phr时,对环氧胶粘剂的强度影响不大,但以20phr为最高。
2.3偶联剂对胶粘剂强度的影响
由于硫酸钙晶须表面非常完整、光滑,与树脂间的结合往往不够理想。因此在用硫酸钙晶须配制环氧胶粘剂时,同时加入了适量的硅烷偶联剂,以增加硫酸钙晶须与环氧树脂基体的结合力。表3是KH-550硅烷偶联剂加入量为硫酸钙晶须用量的1%时的试验结果。
从表3可见,加入KH-550硅烷偶联剂后,胶粘剂的强度显著提高。
2.4硫酸钙晶须与其它填充剂混合使用对胶粘剂粘结强度的影响
晶须纤维和许多粒子填充剂都具有增强树脂的作用,但是二者的增强作用的机理并不相同。晶须纤维的增强作用在于纤维本身起着承载作用,而粒子本身并不起承载作用,它的增强作用在于阻止基体分子产生位错的能力。因此,如果将纤维与粒子以适当比例混合作为树脂填充剂,往往会使二者的增强作用结合起来,取得更加令人满意的效果。表4给出了硫酸钙晶须与石英粉混合配制的环氧胶粘剂的粘结强度。将表4的结果与前述各表的试验结果相比较,可以看出混合型填充剂配制的环氧胶粘剂的拉伸强度和剪切强度都有非常明显的提高。而且经偶联剂改性后,提高幅度更大。
2.5以硫酸钙晶须配制的环氧胶粘剂的表观特性
在用各种填充剂配制环氧胶粘剂的试验过程中,可以明显地观测到:以硫酸钙晶须为填充剂配制的环氧胶粘剂,分散性好,触变性大,施工不流淌,固化后表面光滑,不出现白花现象。此外,由于硫酸钙晶须的高温性能好,因此,它所配制的环氧胶粘剂的耐温性能也有相应提高。
3结论
(1)与目前常用的填充剂相比较,以经过硅烷偶联剂改性的硫酸钙晶须配制的环氧胶粘剂,其拉伸强度相对可以提高50%～120%,剪切强度相对可以提高40%～140%,效果十分明显。
(2)将硫酸钙晶须与其它粒子填充剂混合用于配制环氧胶粘剂,效果更佳。如改性硫酸钙晶须与石英粉混合作为填充剂,同只用单一改性硫酸钙晶须作填充剂相比,配制的环氧胶粘剂的拉伸强度和剪切强度又可提高17%～7%。
(3)以硫酸钙晶须配制的环氧胶粘剂表观特性好,性能价格比高。
(4)硫酸钙晶须是一种具有增强、增韧、耐热、高触变性的优良填充剂。用硫酸钙晶须配制环氧树脂胶粘剂,可以大大提高胶粘剂的性能,应用前景十分广阔。同时为石膏矿的深加工应用开辟了新的途径。