高强度单组份环氧胶粘剂的制备及其性能研究

　 引言
　　环氧树脂胶粘剂具有一系列优异的性能，使其在各个行业都深受欢迎。随着近年来化学工业的迅猛发展，环氧树脂胶粘剂的性能、应用和种类都有很大发展。目前，常用的胶粘剂一般为多组份环氧树脂胶粘剂，但存在贮存困难的缺点，此外在制备多组份胶粘剂时，容易引起计量误差和混合不均，继而影响胶粘剂的性能。作为新型高强度结构胶的单组份环氧胶粘剂，相对于多组份环氧胶粘剂，具有使用方便、使用期长、绿色环保、成本低廉等优点[1-5]。但未改性的单组份环氧也存在耐热性差、吸水率高等问题，必须对环氧胶粘剂进行改性，并选择合适的配方，以达到工业要求。
　　一般来说，要获得高性能的环氧树脂胶粘剂可以采用以下方法：①开发新型高性能环氧树脂；②利用共混或共聚的方法对现有环氧树脂进行改性。吴敏等[1]采用芳香族二元胺（自制）对环氧树脂进行改性，制得一种高强度单组份环氧树脂胶粘剂，其剪切拉伸强度最大可达20.55 MPa，初始热分解温度为390 ℃，898.8 ℃时的残炭率为8.17%，表观活化能为183.3 kJ/mol。
　　通过使用自制的具有芳香结构和亲水基团的单体——3,5-双（4-氨基苯氧基）苯甲酸（35BAPBA）对环氧树脂胶粘剂进行改性，研制出一种性能优异的新型环氧树脂胶粘剂。该胶粘剂在不影响其他性能的基础上，成功的引入了功能性基团羧基，使得分子链结构发生变化，环氧胶的粘接强度得到提高。单组份环氧胶粘剂的这些特性使其在电子、微电子等高科技领域中具有一定的潜在使用价值及应用前景。
　　 1 实 验
　　1.1 原料
　　3, 5-双（4-氨基苯氧基）苯甲酸（35BAPBA）：分子量412，白色晶体，熔点240 ℃，实验室自制；环氧ES216（环氧值 0.225 mol/100 g）、端羧基丁腈橡胶（CTBN）、潜伏性固化剂、稀释剂：上海EMST电子材料有限公司。
　　1.2 高强度单组份环氧胶粘剂的制备
　　将3, 5-双（4-氨基苯氧基）苯甲酸（35BAPBA）与环氧ES216在一定的温度下反应制得透明粘稠的树脂，再在室温下依次加入端羧基丁腈橡胶、稀释剂、潜伏性固化剂，搅拌均匀即得单组份环氧胶粘剂。然后在DGG-9240BD型电热恒温鼓风干燥箱中对单组份环氧胶粘剂进行固化，固化工艺为100 ℃×1 h+150 ℃×2 h+175 ℃×3 h。
　　1.3 测试仪器与方法
　　红外光谱：采用Varian 640-IR红外光谱仪对固化后的胶粘剂进行红外光谱扫描。
　　拉伸剪切强度：根据GB/T 7124-2008《胶粘剂拉伸剪切强度测定》（刚性材料对刚性材料）在万能材料测试仪上进行测试。
　　凝胶化时间：采用正业电子有限公司 ASI-DA-NJ11A 型凝胶化时间测试仪进行测试。
　　接触角θ与表面能γ：将胶粘剂均匀涂于4 cm×2cm 的标准玻璃片上，固化后在恒湿恒温条件下利用承德鑫马测试仪器有限公司生产的JY-82型接触角测试仪对胶粘剂进行接触角测试，测试液选用去离子水、甘油、乙二醇以及一溴代萘，每次测试时测试液的用量大约为5 μL左右。
　　热性能：利用德国耐弛仪器有限公司的TG-209F1 型测试仪对胶粘剂的热性能进行测试，氮气氛围，升温速率为10 ℃/min。
　　吸水率：制作50 mm×50 mm×10 mm的铝箔槽，并将单组份环氧胶粘剂浇铸均匀于铝箔槽中，根据固化工艺进行固化，制得尺寸为50 mm×50 mm×10mm 的固化物试样，测其吸水前的干重，然后在25 ℃的去离子水中浸泡 72 h，测量其吸水后的湿重，根据吸水率公式计算。

　　 2 结果与讨论
　　2.1 傅里叶红外光谱
　　固化后胶粘剂的傅里叶红外光谱图如图1所示。从图1可以看出，914 cm-1左右的吸收峰已基本消失，说明环氧基已固化反应完全。在 3 397.79cm-1处有一宽峰，为羧基的-OH 伸缩吸收峰，在1 721.31 cm-1有一尖锐峰，为羧基的C=O振动吸收峰，说明固化后胶粘剂保留了羧基基团。在1 241.55 cm-1处出现的尖锐吸收峰对应为苯醚键的C-O 振动吸收峰，1 183.07 cm-1处为C-N的伸缩振动吸收峰。环氧胶粘剂经改性后，原来的伯胺已转变为叔胺。




　　2.2 拉伸剪切强度
　　胶粘剂的力值-变形曲线和应力-应变曲线如图2、图 3 所示。




　　由图2、图3可知，该单组份胶粘剂的剪切强度为24.69 MPa，可见该胶粘剂具有较高的机械强度，这是由于 3,5-双（4-氨基苯氧基）苯甲酸（35BAP-BA）与环氧树脂发生开环反应，在胶粘剂结构中引入活性芳香结构；芳香胺伯胺上的活泼氢与环氧基反应形成仲胺，形成的仲胺和固化剂分子中的仲胺再跟环氧基生成叔胺，最后形成交联网状结构。
　　2.3 凝胶化时间和表观活化能
　　2.3.1 凝胶化时间
　　胶粘剂的凝胶化时间如表1所示。



　　用3,5-双（4-氨基苯氧基）苯甲酸（35BAPBA）对环氧树脂体系进行共混改性后，在原来的环氧树脂中引入了新的结构，其分子结构的刚性增加，分子量增大。从表1可以看出，在150 ℃时，胶粘剂的凝胶化时间为294 s，随着温度的升高，胶粘剂的凝胶化时间变短，这是因为温度越高，固化反应速度越快。
　　2.3.2 表观活化能
　　
　　


　　2.5 热性能分析
　　胶粘剂的的热失重曲线如图5所示。



　　从图5可以看出，单组份胶粘剂的初始热分解温度为375.1 ℃，失重5%、10%、15%、20%时的温度分别为265.7 ℃、333.1 ℃、356.2 ℃和370.4 ℃，且在948.0 ℃时，胶粘剂固化物仍然残留 8.38%，说明该胶粘剂具有良好的耐热性能。这是因为环氧树脂经芳香二元胺改性后，分子结构中引入了苯环结构，固化交联密度增大。
　　2.6 吸水率
　　通过吸水率测试计算出胶粘剂的吸水率为2.23%，说明该胶粘剂虽含有羧基，但刚性结构使其仍然具有良好的疏水性。
　　 3 结 论
　　（1）固化后的胶粘剂由于交联结构的形成使其具有良好的力学性能，其剪切强度达24.7 MPa；
　　（2）胶粘剂具有良好的耐热性能，其初始热分解温度为375.1 ℃，当温度达到948.0 ℃，体系仍然残留8.38%；
　　（3）胶粘剂的凝胶化时间随温度变化明显，在温度为150 ℃时，凝胶化时间为294 s，当温度上升至200 ℃时，凝胶化时间为47 s，由凝胶化时间计算得出固化反应的表观活化能为140.07 kJ/mol；
　　（4）胶粘剂中虽然含有羧基，但是由于胶粘剂体系的刚性结构，使该胶粘剂仍然具有优异的疏水性，胶粘剂的表面能为43.1 mJ/m2，远小于水的表面能（72.8 mJ/m2），其吸水率为2.23%。

　　 参考文献：
　　[1] 吴敏,陈洪江,虞鑫海,等.新型高强度单组分环氧树脂胶粘剂的研制[J].粘接,2009(9):54-57.
　　[2] 费斐.酚羟基聚酰亚胺改性环氧树脂及其固化动力学研究[D].上海:东华大学,2010.
　　[3] 王洪祚,王颖.单组分环氧树脂胶粘剂用潜伏性固化剂[J].粘接,2008,29(3):28-31.
　　[4] 虞鑫海,徐永芬,赵炯心,等.耐高温单组分环氧胶粘剂的研制[J].粘接,2008,29(12):16-19.
　　[5] 徐永芬,虞鑫海,赵炯心,等.多官能环氧树脂/2,2 一双(氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷体系的固化反应动力学研究[J].绝缘材料,2007,40(4):42-44.