CN112029457A - 一种轻质粘接材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及胶黏剂技术领域，具体公开一种轻质粘接材料。所述轻质粘接材料包括如下质量份数的原料组分：缩水甘油醚型环氧树脂95～105份；胺类固化剂28～35份；气相二氧化硅4～6份；空心玻璃微珠10～30份；硅烷偶联剂3～5份；短切碳纤维5～10份和润湿剂1～3份。本发明提供的轻质粘接材料的密度为0.75～0.85g/cm3，具有良好的触变性，不易流挂，且粘接后的剪切强度为13～15Mpa，抗压强度为45～46MPa，能够用于轻型飞机和无人机复合材料的粘接、缝隙填充。

Description

一种轻质粘接材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及胶黏剂技术领域，尤其涉及一种轻质粘接材料及其制备方法。
背景技术
复合材料作为一种新型材料，由于其质量轻、强度高的特点，越来越多地应用于汽车、航空航天等领域，复合材料替代金属等传统材料已经是大势所趋。尤其是在航空航天领域，如通过复合材料轻量化技术飞机使用的零部件重量越轻，飞机的载重就越高，飞行速度就越快，飞机航程越大。
然而，复合材料由于自身的特性，不适合机械连接，零部件生产过程中，不可避免的会使用胶黏剂。尤其是在机翼蒙皮的粘接过程中，对胶黏剂的粘度、触变性及力学性能等要求较高。传统的环氧树脂类胶黏剂，虽然在粘接强度上能满足性能要求，但是比重在1.2-1.5之间，比重较大，不利于飞机的轻量化，很难满足飞机追求的轻质、高强、耐用的材料的要求。
发明内容
针对现有胶黏剂存在的上述技术问题，本发明提供一种轻质粘接材料及其制备方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种轻质粘接材料，包括如下质量份数的原料组分：缩水甘油醚型环氧树脂95～105份；胺类固化剂28～35份；气相二氧化硅4～6份；空心玻璃微珠10～30份；硅烷偶联剂3～5份；短切碳纤维5～10份和润湿剂1～3份。
相对于现有技术，本发明提供的轻质粘接材料，以缩水甘油醚型环氧树脂为基本成分，首先，通过加入硅烷偶联剂使空心玻璃微珠在环氧树脂体系中均匀、稳定地分散，改善空心玻璃微珠与环氧树脂的相容性，使彼此结合更加紧密，提高体系的力学性能，同时，硅烷偶联剂还可以增加制备的轻质粘接材料自身的粘结强度以及轻质粘接材料与复合材料之间的粘接强度。其次，加入短切碳纤维降低内聚破坏的可能性，进一步改善材料自身的抗拉强度；添加的气相二氧化硅在改善轻质粘接材料的增稠触变性和抗流挂性的同时，还可以作为环氧树脂聚合物分子链的交联点，达到增强增韧的目的，气相二氧化硅与短切碳纤维及空心玻璃微珠共同作用改善轻质粘接材料的力学性能。再者，润湿剂可以使环氧树脂更好的浸润短切碳纤维、空心玻璃微珠及气相二氧化硅的表面，减少气泡和空隙，提高轻质粘接材料整体性能。本发明提供的轻质粘接材料的密度为0.75～0.85g/cm3，具有良好的触变性，不易流挂，且粘接后的剪切强度为13～15Mpa，抗压强度为45～46MPa。此外，采用胺类固化剂，不需要加热，在常温下即可固化，简化了操作流程。
进一步地，所述空心玻璃微珠粒径为50～60μm，堆积密度为0.3～0.5g/cm3，在保证材料轻量化的同时，改善材料的力学性能。
进一步地，所述短切碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，炭化率高，具有较高的抗拉强度、抗拉模量，更有利于改善材料的强度。
进一步地，所述短切碳纤维的长度为5～20mm，纤维太短对轻质粘接材料的改性不稳定，纤维太长又易于团聚不利于浸润，也影响轻质粘接材料的性能的改善。
进一步地，所述气相二氧化硅为气相二氧化硅A200或气相二氧化硅R202。
进一步地，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)或γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)。
进一步地，所述胺类固化剂为改性脂肪胺、脂环胺或聚酰胺中的至少一种，其中，改性脂肪胺包括酚醛胺T31固化剂和YH-82固化剂。
进一步地，所述润湿剂为BYK-P9920，改善玻璃微珠和碳纤维与树脂的浸润性。
本发明还提供上述轻质粘接材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照设计配比称取各组分，将40～60wt％的所述空心玻璃微珠与所述缩水甘油醚型环氧树脂、气相二氧化硅、硅烷偶联剂及润湿剂混合，搅拌均匀，得到预混料；
S2：将所述胺类固化剂、短切碳纤维和剩余的空心玻璃微珠加入到所述预混料中，搅拌均匀，得到所述轻质粘接材料。
进一步地，步骤S1中，搅拌速度为500～700rpm，时间为18～22min；步骤S2中，搅拌速度为550～650rpm，时间为12～18min。
相对于现有技术，本发明提供的轻质粘接材料的制备方法，工艺简单，操作方便，以缩水甘油醚型环氧树脂为基本成分，加入空心玻璃微珠、气相二氧化硅、硅烷偶联剂、润湿剂及短切碳纤维，并采用胺类固化剂，所得轻质粘接材料密度小，具有良好的触变性，不易流挂，且粘接后的剪切强度和抗压强度较高，能够用于轻型飞机和无人机复合材料的粘接、缝隙填充。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明实施例提供的轻质粘接材料，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
一种轻质粘接材料，包括如下质量份数的原料组分：缩水甘油醚型环氧树脂1000g；酚醛胺T31固化剂300g；气相二氧化硅A200为50g；堆积密度为0.4g/cm3的空心玻璃微珠100g；硅烷偶联剂KH560为50g；10mm长的短切碳纤维(聚丙烯腈基碳纤维)100g和润湿剂BYK-P9920为20g。
上述轻质粘接材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将50wt％的上述空心玻璃微珠与缩水甘油醚型环氧树脂、气相二氧化硅A200、硅烷偶联剂KH560及润湿剂BYK-P9920混合，以600rpm搅拌20min，得到预混料；
S2：将上述酚醛胺T31固化剂、短切碳纤维和剩余的空心玻璃微珠加入到所述预混料中，以600rpm搅拌15min，得到轻质粘接材料。
所得轻质粘接材料的适用期为30分钟，室温24小时达到使用性能，或70℃加热固化2小时。参照GB/T1463-2005、GB/T7124-2008和GB/T2569-1995，分别测试了材料的密度、剪切强度及压缩性能，材料的密度为0.82g/cm3，具有触变性，不易流挂，可减少材料浪费，粘接后剪切强度13Mpa，抗压强度45.2MPa。
实施例2
一种轻质粘接材料，包括如下质量份数的原料组分：缩水甘油醚型环氧树脂950g；聚酰胺固化剂YS-651为280g；气相二氧化硅R202为40g；堆积密度为0.5g/cm3的空心玻璃微珠120g；硅烷偶联剂KH550为30g；20mm长的短切碳纤维(聚丙烯腈基碳纤维)80g和润湿剂BYK-P9920为10g。
上述轻质粘接材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将60wt％的上述空心玻璃微珠与缩水甘油醚型环氧树脂、气相二氧化硅R202、硅烷偶联剂KH550及润湿剂BYK-P9920混合，以500rpm搅拌22min，得到预混料；
S2：将上述聚酰胺固化剂YS-651、短切碳纤维和剩余的空心玻璃微珠加入到所述预混料中，以550rpm搅拌18min，得到轻质粘接材料。
所得轻质粘接材料的适用期为30分钟，室温24小时达到使用性能，或70℃加热固化2小时。参照GB/T1463-2005、GB/T7124-2008和GB/T2569-1995，分别测试了材料的密度、剪切强度及压缩性能，材料的密度为0.75g/cm3，具有触变性，不易流挂，可减少材料浪费，粘接后剪切强度15Mpa，抗压强度45.9MPa。
实施例3
一种轻质粘接材料，包括如下质量份数的原料组分：缩水甘油醚型环氧树脂1050g；脂环胺固化剂PACM350g；气相二氧化硅A200为60g；堆积密度为0.3g/cm3的空心玻璃微珠300g；硅烷偶联剂KH560为50g；5mm长的短切碳纤维(聚丙烯腈基碳纤维)50g和润湿剂BYK-P9920为30g。
上述轻质粘接材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将40wt％的上述空心玻璃微珠与缩水甘油醚型环氧树脂、气相二氧化硅A200、硅烷偶联剂KH560及润湿剂BYK-P9920混合，以700rpm搅拌18min，得到预混料；
S2：将上述脂环胺固化剂PACM、短切碳纤维和剩余的空心玻璃微珠加入到所述预混料中，以650rpm搅拌12min，得到轻质粘接材料。
所得轻质粘接材料的适用期为30分钟，室温24小时达到使用性能，或70℃加热固化2小时。参照GB/T1463-2005、GB/T7124-2008和GB/T2569-1995，分别测试了材料的密度、剪切强度及压缩性能，材料的密度为0.85g/cm3，具有触变性，不易流挂，可减少材料浪费，粘接后剪切强度14Mpa，抗压强度45.0MPa。
为了更好的说明本发明的技术方案，下面还通过对比例和本发明的实施例做进一步的对比。
对比例1
一种轻质粘接材料，在实施例1的基础上，将短切碳纤维替换为等量的堆积密度为0.4g/cm3的空心玻璃微珠，其他组分与实施例1相同，并采用与实施例1相同的制备方法得到轻质粘接材料。
所得轻质粘接材料的适用期为30分钟，室温24小时达到使用性能，或70℃加热固化2小时。参照GB/T1463-2005、GB/T7124-2008和GB/T2569-1995，分别测试了材料的密度、剪切强度及压缩性能，材料的密度为0.70g/cm3，粘接后剪切强度9Mpa，抗压强度36.5MPa。
对比例2
一种轻质粘接材料，在实施例1的基础上，将短切碳纤维替换为等量的30mm长的短切碳纤维，其他组分与实施例1相同，并采用与实施例1相同的制备方法得到轻质粘接材料。
所得轻质粘接材料的适用期为30分钟，室温24小时达到使用性能，或70℃加热固化2小时。参照GB/T1463-2005、GB/T7124-2008和GB/T2569-1995，分别测试了材料的密度、剪切强度及压缩性能，材料的密度为0.88g/cm3，粘接后剪切强度10Mpa，抗压强度38.7MPa。
对比例3
一种轻质粘接材料，在实施例1的基础上，将短切碳纤维替换为等量的2mm长的短切碳纤维，其他组分与实施例1相同，并采用与实施例1相同的制备方法得到轻质粘接材料。
所得轻质粘接材料的适用期为30分钟，室温24小时达到使用性能，或70℃加热固化2小时。参照GB/T1463-2005、GB/T7124-2008和GB/T2569-1995，分别测试了材料的密度、剪切强度及压缩性能，材料的密度为0.89g/cm3，粘接后剪切强度11Mpa，抗压强度40.9MPa。
由以上数据可得，本发明实施例提供的轻质粘接材料的密度为0.75～0.85g/cm3，具有良好的触变性，不易流挂，且粘接后的剪切强度为13～15Mpa，抗压强度为45～46MPa，能够用于轻型飞机和无人机复合材料的粘接、缝隙填充。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轻质粘接材料，其特征在于：包括如下质量份数的原料组分：缩水甘油醚型环氧树脂95～105份；胺类固化剂28～35份；气相二氧化硅4～6份；空心玻璃微珠10～30份；硅烷偶联剂3～5份；短切碳纤维5～10份和润湿剂1～3份。
2.如权利要求1所述的轻质粘接材料，其特征在于：所述空心玻璃微珠粒径为50～60μm，堆积密度为0.3～0.5g/cm3。
3.如权利要求1所述的轻质粘接材料，其特征在于：所述短切碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维。
4.如权利要求3所述的轻质粘接材料，其特征在于：所述短切碳纤维的长度为5～20mm。
5.如权利要求1所述的轻质粘接材料，其特征在于：所述气相二氧化硅为气相二氧化硅A200或气相二氧化硅R202。
6.如权利要求1所述的轻质粘接材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
7.如权利要求1所述的轻质粘接材料，其特征在于：所述胺类固化剂为改性脂肪胺、脂环胺或聚酰胺中的至少一种。
8.如权利要求1所述的轻质粘接材料，其特征在于：所述润湿剂为BYK-P9920。
9.一种权利要求1至8任一项所述的轻质粘接材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：按照设计配比称取各组分，将40～60wt％的所述空心玻璃微珠与所述缩水甘油醚型环氧树脂、气相二氧化硅、硅烷偶联剂及润湿剂混合，搅拌均匀，得到预混料；
S2：将所述胺类固化剂、短切碳纤维和剩余的空心玻璃微珠加入到所述预混料中，搅拌均匀，得到所述轻质粘接材料。
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