酚醛樹(shù)脂改性對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)性的影響

　　環(huán)氧樹(shù)脂是粘結(jié)劑系列中一個(gè)萬(wàn)能的種類(lèi)，它可以很好地與多種襯底分離，并經(jīng)過(guò)改性取得多種性能。粘結(jié)劑中最常見(jiàn)的環(huán)氧樹(shù)脂由雙酚A（bisphenol A）和環(huán)氧氯丙烷（epichlorohydrin）制備而成，并經(jīng)過(guò)含有伯胺、仲胺的活性固化劑對(duì)其停止硬化。經(jīng)過(guò)脫氫鹵化作用，含有活性羥基的復(fù)合物和環(huán)氧氯丙烷反響從而制得環(huán)氧樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂由于潤(rùn)濕性好，機(jī)械性能強(qiáng)，耐化學(xué)腐蝕、耐熱性能好從而在整個(gè)構(gòu)造膠粘劑系列中占有重要位置。由于脆性的特質(zhì)，環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑通常用多種不同的樹(shù)脂來(lái)停止韌化，如熱塑性顆粒、尼龍以及各種人造橡膠。將熱塑性聚乙烯混入酚醛環(huán)氧樹(shù)脂能夠加強(qiáng)膠粘劑的剪切力和抗剝離強(qiáng)度。

　　環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂分離可以改善構(gòu)造膠粘劑的耐高溫性能，可能會(huì)用到線型酚醛樹(shù)脂和甲階酚醛樹(shù)脂。這兩種混合料經(jīng)過(guò)羥基石炭酸與環(huán)氧基的反響而得到固化。當(dāng)運(yùn)用甲階酚醛樹(shù)脂時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)跟羥甲基發(fā)作反響。環(huán)氧酚醛樹(shù)脂膠粘劑有良好的耐高溫性能，可以持續(xù)堅(jiān)持在350 °F的溫度下，亦或斷續(xù)堅(jiān)持在高達(dá)500 °F的溫度下；較高溫度下可以堅(jiān)持其性能不變。耐油、耐溶解、耐腐蝕性能良好。由于組份的硬性特質(zhì)，環(huán)氧酚醛樹(shù)脂（EPN）的抗剝離強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和抗熱震性較低，所以常用于耐高溫設(shè)備的金屬接合的粘結(jié)。所用酚醛通常為甲階酚醛，環(huán)氧樹(shù)脂只占小局部的組份。

　　環(huán)氧酚醛樹(shù)脂（EPN）和環(huán)氧甲酚酚醛樹(shù)脂（ECN）是由苯酚/甲酚甲醛縮合物制備而成。帶有大量環(huán)氧氯丙烷的線型酚醛樹(shù)脂的環(huán)氧化作用減小了羥基石炭酸和酚基的反響從而阻止分支的呈現(xiàn)。線型酚醛樹(shù)脂分子質(zhì)量的增增強(qiáng)化了樹(shù)脂的官能度。EPN樹(shù)脂便從稀薄液體變?yōu)楣腆w。EPN樹(shù)脂主要用于耐熱構(gòu)造性層壓資料、抗化學(xué)腐蝕的纖維纏繞管和高溫粘結(jié)劑。環(huán)氧樹(shù)脂的官能度在2.2-3.8之間，而ECN樹(shù)脂官能度在2.5-6之間。

　　本論文研討了金屬-金屬（Al-Al）粘合工藝中環(huán)氧樹(shù)脂、EPN樹(shù)脂和ECN樹(shù)脂與苯酚甲醛（PF）混合后的粘結(jié)性能。

2. 實(shí)驗(yàn)資料和辦法

　　2.1 資料

　　苯酚、間甲酚、甲醛、氫氧化鈉、環(huán)氧氯丙烷、雙酚A。

　　2.2 環(huán)氧樹(shù)脂的合成

　　將1 mol的雙酚A溶入6 mol環(huán)氧氯丙烷和 50 cc 水的混合液中，用1升的三頸瓶盛放。錐形杯裝備一個(gè)機(jī)械攪拌棒、溫度計(jì)和李比希氏冷凝器。將上述混合液停止隔水加熱直至環(huán)氧氯丙烷沸騰；然后中止加熱并參加2 mol 苛性鈉，每次放入2顆粒直至苛性鈉全部放完；然后對(duì)混合液加熱45分鐘直至混合液變得稀薄。經(jīng)過(guò)真空蒸餾將多余的環(huán)氧氯丙烷剔除，應(yīng)用苯對(duì)剩余的混合物停止提取并沉淀出氯化鈉，然后真空過(guò)濾出氯化鈉。過(guò)濾液在真空中停止蒸餾以剔除苯并在真空中枯燥3個(gè)小時(shí)。

　　2.3 線型酚醛樹(shù)脂的合成

　　線型酚醛樹(shù)脂是在草酸催化劑作用下由苯酚和甲醛（摩爾質(zhì)量比為1:0.8）互相反響制備而得，器材為三頸瓶、機(jī)械攪拌棒、溫度計(jì)和李比希氏冷凝器。100 ℃下加熱2-3個(gè)小時(shí)并允許逆流。當(dāng)樹(shù)脂從水相中別離出來(lái)時(shí)反響中止。用氫氧化鈉對(duì)制備出的樹(shù)脂停止中和，并用水和真空枯燥對(duì)其停止過(guò)濾和清洗。線型酚醛樹(shù)脂每個(gè)分子含有4-6個(gè)苯環(huán)。應(yīng)用上述步驟能夠從環(huán)氧甲酚酚醛樹(shù)脂（ECN）中制備出線型酚醛樹(shù)脂。

　　2.4環(huán)氧酚醛樹(shù)脂（EPN）的合成

　　將1 mol 線型酚醛樹(shù)脂（1:0.8）溶入6 mol 的環(huán)氧氯丙烷然后隔水加熱，并持續(xù)攪拌4小時(shí)，同時(shí)參加1 mol的氫氧化鈉溶液（30%）。將生成的有機(jī)層停止別離并真空蒸餾。應(yīng)用上述步驟能夠從環(huán)氧甲酚酚醛樹(shù)脂（ECN）中制備出環(huán)氧酚醛樹(shù)脂。

　　2.5 甲階酚醛樹(shù)脂的合成

　　甲階酚醛樹(shù)脂是由苯酚和甲醛（摩爾質(zhì)量比1:1.7）在33%的氫氧化鈉溶液中互相反響制備而得。器材為三頸瓶、機(jī)械攪拌棒、溫度計(jì)和李比希氏冷凝器。100 ℃下加熱1小時(shí)并允許逆流。用草酸對(duì)其停止中和，用水和真空枯燥對(duì)其停止清洗。

　　2.6 粘結(jié)性能

　　100×25 mm 的鋁條作為金屬襯底，用于剝離實(shí)驗(yàn)；100×25×1 mm 的鋁條用于剪切實(shí)驗(yàn)。用三氯乙烯停止溶劑脫脂，去除金屬外表的油性雜質(zhì)和灰塵；溶劑擦洗后再用砂紙（P 100）停止打磨。膠黏劑涂在金屬外表上之后用施加一定壓力并在設(shè)定溫度下堅(jiān)持一定時(shí)間。

　　剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)分別依照ASTM D903規(guī)范和ASTM D1002規(guī)范來(lái)操作；室溫；別離率為50 mm/min。

　　2.7 膠黏劑配方

　　依據(jù)環(huán)氧氯丙烷和雙酚A的摩爾比率來(lái)合成環(huán)氧樹(shù)脂，摩爾比率為1.57：1，3：1，3.5：1和4：1。實(shí)驗(yàn)還依據(jù)剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)對(duì)摩爾比率停止優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)過(guò)不同比例的環(huán)氧樹(shù)脂/苯酚甲醛（PF）混合液還能夠?qū)ζ渫Ｖ惯M(jìn)一步改性。同樣的步驟還用于EPN/PF混合液和ECN/PF混合液。制備而得的混合液都停止剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

3 樹(shù)脂特性

　　3.1 環(huán)氧當(dāng)量（EEW）

　　環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧含量關(guān)于樹(shù)脂的反響性和涂層制品的性能有著重要影響。曉得了環(huán)氧當(dāng)量，就能夠算出交聯(lián)劑的含量。環(huán)氧當(dāng)量是指含有一當(dāng)量環(huán)氧基的環(huán)氧樹(shù)脂克數(shù) 。環(huán)氧含量通常表達(dá)為每個(gè)環(huán)氧重量（wpe）。環(huán)氧樹(shù)脂、EPN和ECN樹(shù)脂的wpe值依照ASTM D1652-73規(guī)范求得。

　　在25 ml的吡啶中將0.1-0.2 g的環(huán)氧樹(shù)脂和2 ml的鹽酸混合，隔水加熱45分鐘直至混合物回流。將溶液冷卻至室溫，用反滴定法求得未反響的酸。環(huán)氧當(dāng)量=N×V/W，N是堿強(qiáng)度，V是堿容量，W是樹(shù)脂重量。

　　3.2 混合物膠化時(shí)間的計(jì)算

　　膠化時(shí)間從熱固組份的反響物混合開(kāi)端算起，不斷到固化反響開(kāi)端；將2克試樣倒入試管，100 ℃下隔水加熱。用玻璃棒停止攪拌以察看稀薄度的增加；當(dāng)?shù)竭_(dá)膠凝點(diǎn)時(shí)，玻璃棒就固定在樹(shù)脂中不能再繼續(xù)攪拌。這段時(shí)間就測(cè)定為膠化時(shí)間，測(cè)試依照DIN 16945規(guī)范操作。

　　3.3 光譜剖析

　　實(shí)驗(yàn)采用電磁輻射吸收頻率在400-4000 cm-1的有機(jī)分子停止傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜剖析（FTIR）。不同的分子官能團(tuán)和構(gòu)造特性以特征頻率方式吸收。吸收頻率和強(qiáng)度代表了分子的分離強(qiáng)度和構(gòu)造形態(tài)。實(shí)驗(yàn)還采用核磁共振光譜法對(duì)苯酚甲醛樹(shù)脂的分子構(gòu)造停止剖析；采用HNMR光譜法對(duì)合成樹(shù)脂（環(huán)氧樹(shù)脂、EPN、ECN、PF）停止表征。

　　3.4 凝膠浸透色譜法（GPC）

　　凝膠浸透色譜法，也叫做尺寸排阻色譜法，應(yīng)用注滿凝膠或多孔固體珠的色譜柱按分子大小停止別離；這些多孔固體珠有著相似于聚合物分子的多孔尺寸。將聚合物的稀釋溶液倒入溶劑流中流過(guò)色譜柱，較小分子會(huì)進(jìn)入珠孔內(nèi)，而大分子則掃除在珠孔之外。因而大分子的滯留時(shí)間就比小分子的滯留時(shí)間要長(zhǎng)一些。

　　合成樹(shù)脂用GPC法停止剖析以測(cè)定樹(shù)脂的分子重量。實(shí)驗(yàn)操作采用50 μl的自我注射器，四氫呋喃作為洗脫液。

　　3.5 形態(tài)研討

　　實(shí)驗(yàn)采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對(duì)膠黏劑外表形態(tài)停止剖析研討。經(jīng)過(guò)電子束掃描試樣外表并惹起高能電子、低能二次電子和X射線的反向散射，這些信號(hào)由光電倍增管檢測(cè)并放大。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用電子射線管察看到試樣的顯微區(qū)域并在黑色和白色薄膜上成像。

4. 結(jié)果和討論

　　4.1 機(jī)械性能

　　表一為不同BPA/ECH摩爾率合成的環(huán)氧樹(shù)脂剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度值。

　　摩爾比率為1：1.57時(shí)，有缺乏10%的縮水甘油醚生成；當(dāng)摩爾比率到達(dá)1：4時(shí)，樹(shù)脂稀薄度有了顯著降落。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)BPA/ECH摩爾率為1：3時(shí)，樹(shù)脂粘合性能到達(dá)最佳。實(shí)驗(yàn)還將PF混合到該性能的數(shù)值中，添加量為10-100 phr。此外，PF還混合到EPN和ECN數(shù)值中，添加量為10-100 phr。這些樹(shù)脂系列的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度的變量分別顯現(xiàn)在圖一、圖二中。

　　從圖中能夠看出，簡(jiǎn)直一切系列的樹(shù)脂剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度都隨著PF含量的增加而增大。與EPN/PF混合物和環(huán)氧樹(shù)脂/PF混合物相比，ECN/PF混合物的強(qiáng)度要更高。苯酚甲醛由于脆性的特質(zhì)而增加了交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量；間甲酚有3個(gè)活性位置能夠和PF互相反響，從而生成一個(gè)交聯(lián)合構(gòu)，并惹起強(qiáng)度的增加。

　　4.2 樹(shù)脂特性

　　4.2.1 環(huán)氧當(dāng)量（EEW）

　　實(shí)驗(yàn)采用滴定法求的樹(shù)脂的環(huán)氧當(dāng)量。環(huán)氧樹(shù)脂、EPN和ECN樹(shù)脂的環(huán)氧當(dāng)量分別為4.2、2.6和3.1 eq/kg。較高的環(huán)氧官能度惹起較高的交聯(lián)密度。

　　4.2.2 混合物膠化時(shí)間

　　環(huán)氧樹(shù)脂/PF混合物的膠化時(shí)間為40分鐘，而EPN/PF和ECN/PF混合物在1小時(shí)之后較為穩(wěn)定；例如：當(dāng)混合物中線型酚醛樹(shù)脂替代環(huán)氧樹(shù)脂后，膠化時(shí)間便有所延長(zhǎng)。此外，環(huán)氧樹(shù)脂/PF混合物的膠化時(shí)間就比擬短，保質(zhì)期也比擬短；這是由于線型酚醛樹(shù)脂混合物的活性較低的緣故。

　　4.2.3 光譜剖析

       圖三為環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)TIR光譜剖析。環(huán)氧樹(shù)脂的C-H伸展性在2964 cm-1處。1242 cm-1處察看到對(duì)稱(chēng)伸縮。915 cm-1、829 cm-1和750 cm-1處的波段是典型的環(huán)氧基。

       圖四為PF樹(shù)脂的FTIR光譜剖析，在3250 cm-1、1479 cm-1和1220 cm-1處發(fā)現(xiàn)了特征吸收光譜。1220 cm-1和1019 cm-1左近的波段分別為苯酚基和羥甲基中C-O伸展的特征。881.48 cm-1和831.10 cm-1處的波段為鄰對(duì)位取代的特征。

　　圖五為EPN樹(shù)脂的FTIR光譜剖析。同圖三相似，圖五中也能夠察看到環(huán)氧樹(shù)脂官能度的峰值。1242cm-1處的波段代表環(huán)氧樹(shù)脂中C-O對(duì)稱(chēng)伸縮。2931cm-1、815 cm-1、和748 cm-1處是典型的環(huán)氧化物。密度較小的寬波段3250-3500 cm-1處為羥基石炭酸，在環(huán)氧化作用中也有相當(dāng)一局部的參與。圖六中ECN的FTIR光譜峰值與EPN的FTIR光譜峰值相似，都證明了環(huán)氧官能度。

　　圖7、8、9、10分別為環(huán)氧樹(shù)脂、PF、EPN和ECN樹(shù)脂的HNMR光譜剖析。在PF樹(shù)脂的質(zhì)子核磁共振研討中，光譜顯現(xiàn)了芳香核（δ 7.2）、甲氧基質(zhì)子（3.7）、-CH=CH-質(zhì)子（δ 5.35）、-CH2-Ar質(zhì)子（δ 2.55）和-CH2-CH=CH-質(zhì)子（δ 2.01）的峰值。EPN的質(zhì)子核磁共振顯現(xiàn)了芳基質(zhì)子（δ2.1 δ2.45）和–CH3-C（δ0.98）激烈的峰值；芳香核（δ 6.8 δ 7.3）和–CH2質(zhì)子（δ 3.7）的峰值也很明顯。

ECN的質(zhì)子核磁共振中，6.8 ppm處的雙信號(hào)為芳香核。光譜還顯現(xiàn)了芳基質(zhì)子（δ 2.3）、CH-X質(zhì)子（δ 2.9）、烯基H（δ 4.1）和-CH3-C質(zhì)子（δ 0.95）。3.8 ppm處的弱信號(hào)為–CH2質(zhì)子。

　　4.2.4 凝膠浸透色譜法（GPC）

　　圖11為環(huán)氧樹(shù)脂的凝膠浸透色譜。觀測(cè)到的數(shù)均分子量和多分散系數(shù)分別為400和2.375。

　　4.2.5 形態(tài)研討

　　圖12為剝離實(shí)驗(yàn)操作后環(huán)氧樹(shù)脂/PF混合物的斷裂面；圖中能夠看到裂痕的加深，這闡明了能量吸收更強(qiáng)或者韌性更大。

      5.結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)對(duì)鋁基襯底停止剝離實(shí)驗(yàn)和剪實(shí)在驗(yàn)，對(duì)不同環(huán)氧樹(shù)脂/酚醛混合物的粘結(jié)性能停止研討。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酚醛樹(shù)脂系列的改性關(guān)于改善環(huán)氧樹(shù)脂的強(qiáng)度性能非常有效。ECH/BPA摩爾率為1：3時(shí)，樹(shù)脂剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度到達(dá)最佳。不同系列樹(shù)脂的強(qiáng)度隨著PF含量的增加而增大；同時(shí)，ECN混合料的機(jī)械強(qiáng)度要比其它系列的樹(shù)脂要好。

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