CN103146329A

CN103146329A - 一种表面修饰纳米粒子改性环氧胶粘剂的制备方法

Info

Publication number: CN103146329A
Application number: CN201110402965XA
Authority: CN
Inventors: 寇波; 刘伟; 蒋广飞; 李超; 杨坤
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明公开了一种无机纳米粒子改性环氧树脂胶粘剂的制备方法。首先用偶联剂包覆无机纳米粒子并在其表面发生键合反应，得到表面修饰氨基或环氧基的无机纳米粒子，然后将改性过的无机纳米粒子与固化剂或环氧树脂充分混合，制得的改性环氧树脂胶粘剂。表面修饰的纳米粒子在环氧胶粘剂中分散均匀，所得胶粘剂的钢-钢粘接强度提高31％，冲击强度提高53.6％，力学性能提高明显。

Description

一种表面修饰纳米粒子改性环氧胶粘剂的制备方法

所属技术领域

本发明属于改性胶粘剂技术，特别是一种经过表面化学修饰纳米无机粒子改性环氧树脂胶粘剂的制备方法。

背景技术

环氧树脂胶粘剂，俗称“万能胶”，具有粘接强度高、粘接范围广、收缩率低、稳定性好、耐酸碱、加工方便、绝缘性能优良以及成本低廉等特点，广泛用于粘结金属材料、非金属材料、热固性材料等领域。然而，未经改性的环氧树脂胶粘剂固化后交联密度高，内应力大，柔韧性、耐疲劳性、耐冲击性差，剥离强度及开裂应变低，加之表面能高，在很大程度上限制了环氧树脂在某些高技术领域的应用。

将环氧树脂进行增韧改性可以改善其上述缺陷，常用的增韧方法有共混改性、改变交联网络的化学结构、控制微观形态或形成核壳结构等。其中共混改性研究较多，使用广泛，但共混改性会降低环氧树脂的其它性能，例如在环氧树脂中加入橡胶弹性体，虽然提高了树脂的韧性，但降低了力学性能和高温性能。后两类增韧方法由于加工工艺复杂、不稳定因素较多或成本过高等原因，只在少数领域应用。

与常规的微米级的粉末填料不同，纳米粒子表面原子具有极高的不饱和性，表面活性非常大，能与环氧树脂在界面上形成远大于范德华力的作用力；同时，由于比表面积大，纳米粒子与基体之间接触界面大，受力时会产生更多的微裂纹和塑性变形，可以起到较好的增韧效果；另一方面，纳米粒子的加入可以阻碍高分子链的运动，增大交联密度，使玻璃化温度升高，这对提高耐热性能有利。专利CN200410060769.9在超声波的作用下，将纳米二氧化硅粒子、硅烷偶联剂与环氧活性稀释剂的混合，在高速分散的作用下与环氧树脂混合，然后加入水性胺固化剂低速分散，固化后的复合材料冲击强度提高约50％，拉伸强度提高30％，工艺操作程序简单。此外，有很多文献指出，用纳米粒子做填料改性高分子，会表现出良好的增韧与增强同步效应，同时还会极大的提高环氧树脂复合材料的热性能及耐湿热性能等，如据称国外已将纳米SiO₂加入到胶粘剂中，使粘接强度、韧性、耐热性、耐老化性和密封效果都大幅度提高。。[陈健聪等，热固性树脂.2006(05)：17-20]采用高速研磨，添加5wt％纳米SiO₂改性环氧树脂胶粘剂，剪切拉伸强度提高23.8％。[李晓俊等.青岛科技大学学报(自然科学版).2005(5)：421-423]使用活性纳米CaCO₃改性环氧胶粘剂，其剪切拉伸强度、剥离强度随纳米CaCO₃添加量的增加呈现先增加后下降的趋势，添加25份时剪切拉伸强度达到最大。专利(CN200510049964.6)在双组分商品环氧胶粘剂中添加纳米粉末，胶粘剂粘接强度比原来未改性的胶粘剂提高60％。

另外，还有一些研究使用纳米粒子和橡胶共同作用增韧增强改性环氧树脂胶粘剂。例如[Kinloch A J，et al.Journal of adhesion.2003，79(8-9)：867-873]使用纳米SiO₂改性橡胶增韧环氧胶粘剂粘接铝合金，剪切拉伸强度提高0.43倍，界面断裂能达到2.3kJ/m²，远大于未改性的体系。专利(CN02139834.8)通过加入液体聚硫橡胶和纳米材料，大大提高环氧结构胶的柔韧性，增大了胶与被粘物之间的接触面积，界面结合力强，拉伸剪切强度提高50％，致密防水、增韧、抗老化、触变性、稳定性等性能均大大提高。专利(CN200910230720.6)介绍了纳米橡胶粒子改性双酚A(或双酚F)环氧树脂，具有高的抗冲击、抗振动、耐老化性能，热稳定性好，用于铝合金车体的金属型材粘接。

CN200910043526.7将纳米二氧化硅表面经化学修饰带上环氧基、氨基等基团，经过超声分散改性尼龙66，可与二元酸、二元酸反应形成化学键，因此减少了纳米二氧化硅粒子的团聚现象，提高了纳米二氧化硅的分散性，进而得到了分散性能良好的复合材料。

综上所述，改性纳米粒子的加入有望满足环氧树脂胶粘剂强度和韧性同步提高的要求。目前多数纳米粒子改性环氧树脂胶粘剂的研究中虽然使用了偶联剂，但仅是简单的混合，分散效果无法保证。将偶联剂预先化学修饰到纳米粒子表面，可增加纳米粒子与胶粘剂基体的相容性，粘接性能有望进一步提高。本专利旨在研究一种表面修饰纳米粒子改性环氧胶粘剂的制备方法，也为环氧胶粘剂在金属粘接方面的应用研究提供重要的实验数据

发明内容

为了增加纳米粒子在环氧树脂胶粘剂中的分散性，提高其粘接的强度和韧性，本发明提供一种表面修饰纳米粒子改性环氧胶粘剂的制备方法，即将活性基团经过化学改性价键接于纳米无机粒子表面，并添加到双组份环氧胶中。

本发明的技术方案是：首先使用硅烷类偶联剂在乙醇体系中分散到无机纳米粒子表面，然后加热回流利用无机粒子表面的羟基水解，将环氧基或氨基等活性基团键接到纳米无机粒子表面，得到表面修饰有氨基的纳米二氧化硅。其次，将一定量的经过表面修饰的纳米无机粒子与环氧树脂或固化剂组分机械混合，或使用超声分散，或在溶剂稀释的条件下混合，再加热去除溶剂。然后再将环氧树脂与固化剂按一定比例机械混合。最后，按常规胶粘剂粘接工艺进行钢板材料的粘接。

本发明的有益效果是，(1)纳米粒子表面化学修饰了环氧基、氨基等活性基团，提高了纳米粒子与环氧树脂的相容性，保障了纳米粒子在基体内部的充分分散；(2)由于纳米粒子与基体之间形成了化学键，使得粘接件拉伸剪切强度和冲击强度同步提高。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的实施，下面以二氧化硅纳米粒子为例进行阐述，这些过程和工艺条件并不代表发明的全部。

为描述简单，现将统一的测试试样粘接工艺叙述如下：

剪切拉伸测试GB-T7124-2008：用砂纸(1000cw)打磨尺寸为100mm×25mm×2mm的钢板表面。将打磨后的钢板浸入无水乙醇中，进行表面清洗，以除去其表面的铁屑油污等杂质。浸泡一定的时间之后，把钢板放入烘箱中烘干。把配置好的环氧胶均匀涂覆在钢板上，胶涂覆的长度为2cm，晾置一定的时间，等钢板上涂覆的胶具有一定的粘度时，将两块钢板叠合，按压均匀，用夹子进行固定。置于烘箱，在100℃固化3h，制得拉伸试样。用万能试验机对粘接好的钢片用5mm/min的速度进行拉伸试验。

冲击性能测试GB-T2567-2008：把配置好的环氧胶均匀倒在模具四氟盘上，内径尺寸为80mm×10mm×4mm，晾置一定的时间，等四氟盘上的胶具有一定的粘度时，将两块四氟盘叠合，按压均匀。常温固化3h后，取出样条置于烘箱中，在100℃继续固化3h，得冲击试样。用简支梁冲击试验机对样条进行冲击试验。

实施例1：

纳米二氧化硅的制备：3ml浓氨水加入到50ml乙醇，搅拌均匀后，滴加3ml正硅酸四乙酯(TEOS)常温搅拌3h；6000r/min离心8min，洗涤4次，分散于50ml乙醇，得到SiO₂纳米微球乳液。

纳米微球表面修饰氨基：50ml SiO₂纳米微球乳液中加入0.1ml胺丙基三乙氧基硅烷(APTES)，搅拌过夜；80℃回流1h；6000r/min离心8min，洗涤4次，60℃烘干24h得到SiO₂-NH₂纳米微球粉状样品。

配胶：称取8g聚酰胺(650)，向其中添加0.2％wt SiO₂-NH₂纳米微球，在50℃的水浴锅中玻棒搅拌5min，然后超声振荡30min，按照比例继续添加双酚A型环氧树脂(E-51)，搅拌5min混合均匀，即得到配置好的环氧胶。

按照统一的测试试样粘接工艺制备样品，测试得到拉伸剪切强度为21.5MPa，冲击强度为5.3kJ/m²。

实施例2：

配胶：称取8g聚酰胺(650)，向其中添加0.5％wt SiO₂-NH₂纳米微球，在50℃的水浴锅中玻棒搅拌5min，然后超声振荡30min，按照比例继续添加双酚A型环氧树脂(E-51)，搅拌5min混合均匀，即得到配置好的环氧胶。

按照统一的测试试样粘接工艺制备样品，测试得到拉伸剪切强度为26.5MPa，冲击强度为6.3kJ/m²。

实施例4

配胶：称取8g聚酰胺(650)，向其中添加5％wt SiO₂-NH₂纳米微球，在50℃的水浴锅中玻棒搅拌5min，然后超声振荡30min，按照比例继续添加双酚A型环氧树脂(E-51)，搅拌5min混合均匀，即得到配置好的环氧胶。

按照统一的测试试样粘接工艺制备样品，测试得到拉伸剪切强度为26.0MPa，冲击强度为5.5kJ/m²。。

实施例5

纳米微球表面修饰氨基：100ml SiO₂纳米微球乳液中加入100ul APTES，搅拌过夜；80℃回流1h；6000r/min离心8m in，洗涤4次，分散于1ml乙醇，得到SiO₂-NH₂纳米微球乳液。

配胶：称取8g聚酰胺(650)，向其中添加1ml SiO₂-NH₂纳米微球乳液，在50℃的水浴锅中搅拌5min，然后超声振荡30min，继而在60℃真空烘箱干燥5h；按照比例继续添加双酚A型环氧树脂(E-51)，在50℃的水浴锅中搅拌5min混合均匀，即得到配置好的环氧胶。

按照统一的测试试样粘接工艺制备样品，测试得到拉伸剪切强度为22.1MPa，冲击强度为5.5kJ/m²。

实施例6

纳米微球表面修饰氨基：将0.8g纳米三氧化二铝粉末，分散于50ml乙醇，超声搅拌均匀后，加入50ul APTES，搅拌过夜；80℃回流1h；6000r/min离心8min，洗涤4次，60℃烘干24h得到Al₂O₃-NH₂纳米微球粉状样品。

配胶：称取8g聚酰胺(650)，向其中添加0.5％wt Al₂O₃-NH₂纳米微球，在50℃的水浴锅中玻棒搅拌5min，然后超声振荡30min，按照比例继续添加双酚A型环氧树脂(E-51)，搅拌5min混合均匀，即得到配置好的环氧胶。

按照统一的测试试样粘接工艺制备样品，测试得到拉伸剪切强度为21.1MPa，冲击强度为4.4kJ/m²。

实施例7：

纳米微球表面修饰氨基：50ml SiO₂纳米微球乳液中加入0.1ml缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷，搅拌过夜；80℃回流1h；6000r/min离心8min，洗涤4次，60℃烘干24h得到SiO₂

纳米微球粉状样品。

配胶：称取10g双酚A型环氧树脂(E-51)，向其中添加0.5％wt SiO₂

纳米微球，在50℃的水浴锅中玻棒搅拌5min，然后超声振荡30min，按照比例继续添加聚酰胺(650)，搅拌5min混合均匀，即得到配置好的环氧胶。

Claims

1.一种表面化学修饰纳米无机粒子改性环氧树脂胶粘剂的制备方法，其特征在于将纳米粒子经表面化学修饰后再添加到双组份环氧胶中。

2.根据权利要求1所述的纳米无机粒子改性环氧树脂胶粘剂的制备方法，其特征在于所用纳米粒子可以为表面修饰的二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝、氧化锌、碳酸钙、蒙脱土等。

3.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅改性环氧树脂胶粘剂的制备方法，其特征在于所用环氧树脂胶粘剂为双组份，包括环氧树脂和固化剂。

4.根据权利要求1所述的纳米无机粒子改性环氧树脂胶粘剂的制备方法，其特征在于纳米无机粒子添加量为质量分数0.2～5％。

5.根据权利要求2所述的纳米无机粒子，其特征在于所用纳米粒子表面带有环氧基，或带有氨基等其他可与固化剂相容并可固化环氧树脂的活性基团。

6.根据权利要求5所述的表面带有活性基团的纳米无机粒子，其特征在于表面的活性基团为经过化学改性后共价键接于颗粒表面。

7.根据权利要求1所述的纳米无机粒子改性环氧树脂胶粘剂的制备方法，其特征在于首先将表面环氧基修饰的纳米无机粒子与环氧树脂机械混合，或使用超声分散，再将环氧树脂与固化剂按一定比例机械混合。

8.根据权利要求1所述的纳米无机粒子改性环氧树脂胶粘剂的制备方法，其特征在于首先将表面带有氨基等其他可与固化剂相容并可固化环氧树脂的活性基团与固化剂机械混合，或使用超声分散，再将环氧树脂与固化剂按一定比例机械混合。

9.根据权利要求7和权利要求8所述的混合工艺，其特征在于改性的纳米无机粒子与环氧树脂或固化剂混合时，可以将纳米粒子预分散于溶剂中，与环氧树脂或固化剂混合后再加热去除溶剂。