CN106497441B - 一种环氧树脂粘接与修复表面的方法 - Google Patents

一种环氧树脂粘接与修复表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种环氧树脂粘接与修复表面的方法，先将碳纳米管、环氧树脂和丙酮按质量比(1～2):(2～5):(90～110)均匀混合，得到环氧树脂稀释溶液；将环氧树脂稀释溶液分若干次喷涂于待修复表面，得到预处理层；将环氧树脂和固化剂混合均匀，涂覆在预处理层上，直至环氧树脂完全固化，完成环氧树脂粘接与修复表面。本发明利用丙酮稀释已加入碳纳米管的环氧树脂，增加了环氧树脂的流动性和浸润性，使碳纳米管被环氧树脂完全包裹渗透到被粘接或修复表面的极小缝隙中；利用固化剂的扩散作用使环氧树脂固化，同时缝隙内一小部分碳纳米管会由于挤压的原因进入到后覆盖的环氧树脂中，形成无缝隙和无气泡的粘接层，增加粘接界面的强度。

Description

一种环氧树脂粘接与修复表面的方法
【技术领域】
本发明涉及表面修复领域，具体涉及一种环氧树脂粘接与修复表面的方法。
【背景技术】
环氧树脂内聚力大，分子致密，具有良好的力学性能。且含有活性极大的环氧基、羟基等极性集团，使其拥有优异的粘接性能。除此之外，环氧树脂还具有抗化学腐蚀性强、良好的电绝缘性等优点，这决定了环氧树脂在国民生产中占有重要的地位。利用环氧树脂制作的复合材料具有力学性能好、重量轻、比强度和比刚度高等一系列优点，使其在汽车、航空等领域得到了广泛的应用。尤其是在航空领域，机身重量决定了燃油消耗率，进而决定了经济效益。为了减轻飞机的重量，机身材料的选用就显得极为重要。金属-环氧树脂复合材料可以在保证机身强度的同时，降低整机的重量。
为了增强环氧树脂的强度，通常会在环氧树脂中加入碳纳米管。碳纳米管是一种纳米材料，具有较大的长径比和优良的力学性能，其抗拉伸强度可达到50～200GPa，现在很多研究已经表明，利用碳纳米管对环氧树脂进行改性处理，可显著提高环氧树脂的强度。
在复合材料的制备过程中，金属材料的处理和制造工艺将会对环氧树脂的流动性和浸润性造成很大的影响。现有的复合材料的制备方法中，由于环氧树脂的流动性不足，环氧树脂无法渗透至粘接或修复界面的缝隙深处，会在粘接表面形成间隙，造成粘接界面初始缺陷，例如，飞机机翼中的裂纹修复。目前，对于这种问题的处理办法是将有裂缝的部分挖除，然后再利用环氧树脂和填充物进行填补。在目前的粘接工艺中，由于环氧树脂的流动性不足，无法渗入表面坑槽或缝隙中，使环氧树脂不能与粗糙的粘接或修复表面完全接触，环氧树脂固化后，会在接触界面处产生缝隙。如图1所示，如果在修复过程中，粘接界面处由于环氧树脂无法渗透至修复表面的缝隙深处，就会形成缝隙缺陷2(早期裂纹)，这对飞机的安全性会产生严重的影响。另外，由于环氧树脂浸润性和流动性差，无法完全包裹碳纳米管4，使得碳纳米管4在与环氧树脂混合过程中产生气泡5，碳纳米管表面气泡以及粘接表面缝隙的存在会使粘接界面处产生应力集中，降低粘接强度。由于碳纳米管与环氧树脂直接混合容易产生气泡等缺陷，并且粘稠树脂一般难进入碳纳米管聚团体内，目前多采用的方法是通过机械挤压混合，或者采用化学处理方法，例如对碳纳米管进行功能化处理，以改善碳纳米管在环氧树脂中的均匀分布，降低聚团体，因此现有的处理工艺相对复杂，不利于现场作业。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种环氧树脂粘接与修复表面的方法，能够在修复过程中，使环氧树脂完全包裹碳纳米管，避免在环氧树脂中产生气泡，且环氧树脂能够完全渗入待修复表面的缝隙底部。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
包括以下步骤：
(1)将碳纳米管、环氧树脂和丙酮按质量比(1～2):(2～5):(90～110)均匀混合，得到环氧树脂稀释溶液；
(2)将环氧树脂稀释溶液分若干次喷涂于待修复表面，得到预处理层；
(3)将环氧树脂和固化剂混合均匀，涂覆在预处理层上，直至环氧树脂完全固化，完成环氧树脂粘接与修复表面。
进一步地，步骤(1)中碳纳米管、环氧树脂和丙酮的质量比为1:3:100。
进一步地，步骤(2)中喷涂2～3次。
进一步地，步骤(3)中环氧树脂和固化剂按体积比1:(0.9～1.2)的比例混合。
进一步地，步骤(3)中环氧树脂和固化剂按体积比1:1的比例混合。
进一步地，步骤(1)中的环氧树脂和步骤(3)中的环氧树脂相同；步骤(3)中的环氧树脂和固化剂的型号为爱牢达420A/B。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明利用丙酮稀释已加入碳纳米管的环氧树脂，增加了环氧树脂的流动性和浸润性，使其不仅能够渗透到被粘接或修复表面的极小缝隙中，而且可以使碳纳米管被环氧树脂完全包裹，从而提高环氧树脂的粘接强度。由于丙酮的易挥发性，稀释溶液中的环氧树脂和碳纳米管便残留在预处理表面及其缝隙深处。当环氧树脂与固化剂混合物覆盖在已预处理的粘接或修复表面后，由于分子的扩散作用，混合物中的固化剂会扩散至缝隙深处的环氧树脂中，使缝隙深处预处理层中的环氧树脂以及预处理层上的环氧树脂固化，同时缝隙内一小部分碳纳米管会由于挤压的原因进入到后覆盖的环氧树脂中，形成无缝隙和无气泡的粘接层，其中的碳纳米管能够有效增加粘接界面的强度；经测试表明，本发明可使粘接后的剪切强度提高44％。本发明方法不仅可以提高环氧树脂的粘接强度而且其工艺相对简单，无需对碳纳米管进行功能化处理，便于现场施工。
【附图说明】
图1是传统粘接工艺中粘接界面存在缝隙和气泡缺陷的示意图。
图2是本发明粘接或修复表面预处理示意图。
图3是本发明固化剂扩散前的环氧树脂粘接层示意图。
图4是本发明环氧树脂完全固化后形成的粘接层示意图。
其中：1-待修复基底；2-缝隙缺陷；3-第一环氧树脂层；4-碳纳米管；5-气泡；6-第二环氧树脂层。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图2至图4，本发明是在待修复基底1上依次设置第一环氧树脂层3和第二环氧树脂层6，其中，第一环氧树脂层3内分散有碳纳米管4。待修复基底1就是待粘接或修复界面。
本发明中的环氧树脂和固化剂能够配合使用固化成环氧树脂胶。
本发明使用亨斯迈(huntsman)旗下的爱牢达环氧树脂胶，为双组份产品，包括环氧树脂和固化剂，两者配合使用，型号为爱牢达420A/B。
本发明方法包括如下步骤：
(1)预处理溶液的制备。将碳纳米管、环氧树脂和丙酮按质量比(1～2):(2～5):(90～110)的比例均匀混合，得到环氧树脂稀释溶液。
(2)对待粘接或修复界面进行预处理。采用喷涂工艺方法，分2～3次将环氧树脂稀释溶液喷涂于待粘接或修复基底的表面上，对待粘接或修复表面进行预处理，其用量以丙酮挥发后，留存的环氧树脂和碳纳米管混合物能够完全填充待修复表面缝隙为宜，如图2所示。渗透到缝隙深处的环氧树脂稀释溶液，由于丙酮的易挥发性，稀释溶液中丙酮会在较短的时间内迅速挥发，随着环氧树脂稀释溶液中丙酮的挥发，环氧树脂稀释溶液中的环氧树脂和碳纳米管便留存在粘接或修复表面的缝隙深处，使得被粘接或修复表面完全覆盖有环氧树脂和碳纳米管，形成预处理层，预处理层为无缝隙、无气泡的粘接界面。
本发明中利用丙酮稀释环氧树脂，可增加环氧树脂的流动性和浸润性，不仅能够使得碳纳米管可完全被环氧树脂包裹，而且改性后的环氧树脂和碳纳米管采用喷涂的方法对被粘接表面或修复表面进行预处理，可以使环氧树脂和碳纳米管完全渗透到被粘接或修复表面的极小缝隙深处。渗透到缝隙中的稀释溶液，由于丙酮的易挥发性，环氧树脂和碳纳米管便留在处理表面及其缝隙深处。
(3)缝隙深处环氧树脂的固化。将环氧树脂和固化剂按体积比1:(0.9～1.2)的比例混合，制得环氧树脂和固化剂混合物，将其覆于已预处理后的粘接或修复表面之上，如图3所示。
缝隙深处的环氧树脂固化机理：由于丙酮具有极易挥发的特性，环氧树脂稀释溶液中的丙酮能在极短时间内迅速挥发，使得混合溶液中的环氧树脂能够留存在被粘接或修复表面的缝隙深处；后覆盖的混合物中的固化剂会由于分子的扩散作用，扩散至预处理层(残留在坑槽或缝隙深处)的环氧树脂中，使得坑槽或缝隙深处的环氧树脂最终完全固化，形成粘接表面无缝隙缺陷的碳纳米管增强层，提高了环氧树脂的粘接强度。
本发明中粘接表面碳纳米管增强层主要由已预处理表面及其缝隙深处的表面预处理溶液(环氧树脂稀释溶液)在完全固化后形成。
(4)粘接层的完全固化。随着固化剂的扩散，缝隙深处的环氧树脂以及缝隙表面混合物中的环氧树脂最终在树脂产品所规定的条件下实现完全固化，一小部分碳纳米管会由于挤压的原因进入到后覆盖的环氧树脂中，达到粘接效果，得到无缝隙，无气泡的粘接层，如图4所示。对于喷砂表面。
下面通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一
(1)将碳纳米管、环氧树脂和丙酮按质量比1:3:100均匀混合，得到环氧树脂稀释溶液；
(2)将环氧树脂稀释溶液分三次喷涂于待修复表面，得到预处理层；
(3)将环氧树脂和固化剂按体积比1:1混合均匀，使用刷涂方式涂覆在预处理层上，直至环氧树脂完全固化，完成环氧树脂粘接与修复表面。并测试其粘接后的性能如下表1所示：
表1表面预处理后粘接强度测试(预处理溶液含碳纳米管)
对比例1
采用实施例1中步骤(3)配制的环氧树脂和固化剂的混合物直接对待修复表面进行粘结处理。并测试其粘接后的性能如下表2所示：
表2表面无预处理粘接强度测试
经测试表明：与未进行表面预处理而直接使用树脂粘接相比，使用本发明方法得到的粘接层，无缝隙无气泡，且可使粘接后的剪切强度提高44.98％。
对比例2
采用实施例1中步骤(1)的方法对修复表面进行预处理时，所配制的环氧树脂稀释溶液不含碳纳米管。
其它条件与实施例1相同，对同类待修复表面进行修复，并测试其粘接后的性能如下表3所示。
表3表面预处理后粘接强度测试(预处理溶液不含碳纳米管)
经测试表明：与不含碳纳米管的表面预处理相比，使用本发明方法得到的粘接层，无缝隙无气泡，且可使粘接后的剪切强度提高10.26％。
实施例二
(1)将碳纳米管、环氧树脂和丙酮按质量比1:5:110均匀混合，得到环氧树脂稀释溶液；
(2)将环氧树脂稀释溶液分三次喷涂于待修复表面，得到预处理层；
(3)将环氧树脂和固化剂按体积比1:1.1混合均匀，涂覆在预处理层上，直至环氧树脂完全固化，完成环氧树脂粘接与修复表面。
(1)将碳纳米管、环氧树脂和丙酮按质量比2:2:90均匀混合，得到环氧树脂稀释溶液；
(2)将环氧树脂稀释溶液分三次喷涂于待修复表面，得到预处理层；
(3)将环氧树脂和固化剂按体积比1:0.9混合均匀，涂覆在预处理层上，直至环氧树脂完全固化，完成环氧树脂粘接与修复表面。
(1)将碳纳米管、环氧树脂和丙酮按质量比1.5:4:95均匀混合，得到环氧树脂稀释溶液；
(2)将环氧树脂稀释溶液分三次喷涂于待修复表面，得到预处理层；
(3)将环氧树脂和固化剂按体积比1:1混合均匀，涂覆在预处理层上，直至环氧树脂完全固化，完成环氧树脂粘接与修复表面。
本发明包括：(1)粘接界面预处理溶液制备方法(2)粘接界面预处理方法(3)粘接点完全固化机理。本发明通过增加树脂的流动性，预处理粘接表面，可有效解决粘接表面残留缝隙及气泡问题，使环氧树脂完全浸润粘接或修复表面，消除常规粘接界面的早期裂纹，同时可使碳纳米管嵌入基底表面的缝隙中，并被环氧树脂完全包裹，增加了粘接强度。
本发明利用丙酮稀释环氧树脂，增强了环氧树脂的流动性和浸润性，使其不仅可以与碳纳米管很好地融合，而且可以渗入到预处理表面的极小缝隙中，最终在固化剂的作用下，预处理层在粘接表面固化成一层无缝隙，无气泡的碳纳米管增强层，有效增强剪切强度。
本发明利用丙酮稀释环氧树脂这种便于实施的方式，解决现有环氧树脂粘接技术中，由于环氧树脂流动性和浸润性不足，环氧树脂无法完全包裹碳纳米管以及无法渗入到被粘接或修复表面的缝隙深处，使得环氧树脂粘接或修复界面存在初始缝隙的问题。本发明提供了一种可消除碳纳米管表面气泡以及粘接表面缝隙的表面处理方法，通过在粘接表面形成碳纳米管增强层，提高环氧树脂的粘接强度。本发明利用表面预处理溶液并采用多次喷涂工艺对粘接表面进行预处理，通过在粘接表面形成无气泡，无缝隙的碳纳米管增强层，提高环氧树脂的粘接强度。

Claims (3)

1.一种环氧树脂粘接与修复表面的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将碳纳米管、环氧树脂和丙酮按质量比1:3:100均匀混合，得到环氧树脂稀释溶液；
(2)将环氧树脂稀释溶液分若干次喷涂于待修复表面，得到预处理层；
(3)将环氧树脂和固化剂混合均匀，涂覆在预处理层上，直至环氧树脂完全固化，完成环氧树脂粘接与修复表面；
步骤(3)中环氧树脂和固化剂按体积比1:(0.9～1.2)的比例混合；步骤(1)中的环氧树脂和步骤(3)中的环氧树脂相同；步骤(3)中的环氧树脂和固化剂的型号为爱牢达420A/B。
2.根据权利要求1所述的一种环氧树脂粘接与修复表面的方法，其特征在于：步骤(2)中喷涂2～3次。
3.根据权利要求1所述的一种环氧树脂粘接与修复表面的方法，其特征在于：步骤(3)中环氧树脂和固化剂按体积比1:1的比例混合。
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