改性聚合物與纖維的粘合性_粘接強(qiáng)度與改性劑用量曲線出現(xiàn)最大值

1、學(xué)術(shù)論文 譯文改性聚合物與纖維的粘合性粘接強(qiáng)度與改性劑用量曲線出現(xiàn)最大值的原因陳月輝編譯 （上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海）摘要：研究了改性聚合物與纖維的粘合性能。結(jié)果顯示，提高粘接強(qiáng)度通?？梢酝ㄟ^往膠粘劑中添加一個(gè)具有低粘合力的組分來(lái)實(shí)現(xiàn)，且在一定的濃度范圍內(nèi)系統(tǒng)可獲得最大的粘接強(qiáng)度。這種反?，F(xiàn)象可以通過濃度與表面和內(nèi)在性能的依賴關(guān)系進(jìn)行分析、解釋。關(guān)鍵詞：粘接強(qiáng)度；環(huán)氧衍生物；纖維；界面中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）前言用聚合物對(duì)纖維材料進(jìn)行改性，可以獲得所期望的性能。對(duì)改性聚合物與纖維之間的粘合的研究表明，其界面粘合強(qiáng)度與改性聚合物的濃度有依賴關(guān)系，且強(qiáng)度曲線具有一個(gè)最大值。

2、有關(guān)膠粘劑的濃度粘接強(qiáng)度（）曲線有最大值早在世紀(jì)年代就發(fā)現(xiàn)了，而最近對(duì)此領(lǐng)域的研究已經(jīng)獲得了大量的數(shù)據(jù)介紹例，見圖。圖為活性稀釋劑改性的環(huán)氧二烷低聚物與鋼絲（）之間的粘接強(qiáng)度與活性稀釋劑濃度的關(guān)系；粘接面積；長(zhǎng)徑比。）；活性稀釋劑的含量按低聚物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入，。本文只圖粘接強(qiáng)度與活性稀釋劑含量的關(guān)系 圖為（）膠粘劑與種纖維之間的粘接強(qiáng)度與濃度的關(guān)系。圖粘接強(qiáng)度與活性稀釋劑濃度的關(guān)系（活性稀釋劑，固化劑（每質(zhì)量份的混合物加入質(zhì)量份）；環(huán)丁醇活性稀釋劑， 固化劑（每質(zhì)量份的混合物加入質(zhì)量份）；活性稀釋劑的含量以樹酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，圖粘接強(qiáng)度與活性稀釋劑含量的關(guān)系（玻璃纖維；聚酰胺（尼龍）纖維）圖為

3、聚硫化合物（活性稀釋劑）改性的環(huán)氧二烷低聚物和無(wú)堿玻璃纖維（）之間的粘接強(qiáng)度與活性稀釋劑含量的關(guān)系；粘接面積×；為固化劑（用量為混合物的從圖的例子可以看出，粘接強(qiáng)度與改性劑強(qiáng)度的關(guān)系曲線中均出現(xiàn)最大值。這是因?yàn)楦男詣┑恼澈狭σ陀谥黧w聚合物的粘合力而造成的。圖就是聚合物、改性劑粘接性的對(duì)比。中。其原因包括固化過程中的化學(xué)收縮以及聚合物與纖維的熱收縮。當(dāng)粘接處受力時(shí)，殘余應(yīng)力與外力疊加。因此，殘余應(yīng)力越高，粘接強(qiáng)度越低。而熱應(yīng)力對(duì)界面剪切應(yīng)力的非均勻分布起到主要（但非唯一）作用。這種不均勻性主要表現(xiàn)為粘接強(qiáng)度隨著纖維和膠粘劑的接觸面積大小變化而出現(xiàn)單調(diào)下降（見圖）。殘余熱應(yīng)力在纖維聚合

4、物膠粘劑粘接處的末端出現(xiàn)最大值，而在中間處則為零，并隨著粘接長(zhǎng)度的增加而增大。當(dāng)溫度處于膠粘劑的以上時(shí)，殘余應(yīng)力出現(xiàn)下降；而低于圖粘接強(qiáng)度與粘接面積的關(guān)系（聚氰酸酯鋼絲；改性添加劑鋼絲；固化條件： 、和各為）時(shí)，則隨溫度下降而呈線性增長(zhǎng)，即。這里，其中是測(cè)試溫度。由圖可見，在同樣的粘接面積時(shí)，聚合物（聚氰酸酯）與鋼絲纖維粘接強(qiáng)度都比改性劑（）與鋼絲粘接強(qiáng)度高。另外，聚酯聚砜、環(huán)氧聚砜體系也有類似的規(guī)律。為什么往主體膠粘劑中添加粘合力較低的改性劑，反爾會(huì)增強(qiáng)粘接強(qiáng)度呢？為了回答這個(gè)問題，我們應(yīng)該理解（）膠粘劑和基材中哪些性能會(huì)影響粘接強(qiáng)度以及（）引入改性劑后是如何影響這些性能的。從圖可以觀察到，

5、粘接強(qiáng)度的最大值往往是由各種化學(xué)性質(zhì)綜合后得到的。一般來(lái)說，改性可能改變聚合物在液態(tài)和固態(tài)條件下的整體性能，所有這些變動(dòng)可能影響聚合物纖維系統(tǒng)中的界面粘接強(qiáng)度，因?yàn)楹铣赡z粘劑的粘接強(qiáng)度測(cè)定值取決于覆蓋在被粘物表面液體的潤(rùn)濕性和粘合工藝，也取決于膠粘劑固化后的粘合性能。對(duì)于液體膠粘劑而言，高潤(rùn)濕性是高粘接強(qiáng)度的必要條件。為此，要了解膠粘劑的表面張力，以及它與固體表面的接觸角。此外，膠粘劑對(duì)被粘基材的潤(rùn)濕能力很大程度上將決定有無(wú)形成界面缺陷。界面缺陷會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中和粘接強(qiáng)度下降。為了評(píng)估聚合物改性對(duì)改善界面缺陷的效果，有必要了解改性劑和粘接形成條件的熱力學(xué)特征以及形成粘合的條件。膠粘劑的界面層和內(nèi)

6、部的結(jié)構(gòu)層是在固化過程中形成的，其表層結(jié)構(gòu)直接影響表層的開裂和裂口增長(zhǎng)的過程。粘合破壞以及膠粘劑內(nèi)聚破壞，取決于固化過程中是否出現(xiàn)相分離。換言之，這種失效機(jī)理取決于膠粘劑固化物是單相還是多相。經(jīng)過相轉(zhuǎn)變，一個(gè)裂紋的延伸可能被遏制、終止、置換或者使阻礙得以扭轉(zhuǎn)。如果系統(tǒng)有足夠的塑性，塑性變形就可能出現(xiàn)于裂紋尖端處。一般來(lái)說，粘接強(qiáng)度測(cè)量值取決于作用于纖維聚合物界面處的殘余應(yīng)力（）的水平。為估計(jì)這些殘余應(yīng)力，就要知道纖維和膠粘劑的彈性模量、線脹系數(shù)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。殘余應(yīng)力出現(xiàn)于從固化溫度冷卻到測(cè)試溫度的過程測(cè)試步驟 在此，選擇活性稀釋劑改性環(huán)氧樹脂體系為例，對(duì)上述機(jī)理加以分析?；钚韵♂寗椋s水

7、醇醚），環(huán)氧為環(huán)氧低聚物（的同型物）。其中含量為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以鈦酸酯三乙醇胺（）為固化劑，占和總質(zhì)量的。粘接試片固化條件為。本文的粘接強(qiáng)度（）都是通過將纖維從已固化聚合物層抽出（拉出法）所測(cè)得的。圖是測(cè)試示意圖。加載速度，每個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)個(gè)樣品。粘接強(qiáng)度按式（）計(jì)算：（）式中是將纖維從已固化膠層拉出所需的力；是粘合面積，是纖維直徑，是粘合接頭長(zhǎng)度，即纖維嵌入樹脂部分的長(zhǎng)度。圖纖維聚合物粘接剪切強(qiáng)度測(cè)試試片（纖維的直徑為；聚合物層的厚度為）用活性稀釋劑改性的環(huán)氧樹脂低聚物的粘接性圖和圖說明在環(huán)氧樹脂中加入活性稀釋劑后測(cè)定的粘接強(qiáng)度的變化。與未改性的樹脂相比，改性后的粘接強(qiáng)度相當(dāng)高。這與前面環(huán)氧樹脂的

8、粘合數(shù)據(jù)吻合。由圖還可看出，粘接強(qiáng)度隨著粘接面積的增加而降低。這是由粘合處應(yīng)力分布不均勻所造成的?；钚韵♂寗┯昧吭黾樱ㄔ冢?，值也隨之增大。學(xué)術(shù)論文 （）系統(tǒng)在任何含量情況下的潤(rùn)濕能力都高于活性稀釋劑。例如，（未改性的樹脂）和（）系統(tǒng)在玻璃纖維上的接觸角分別不會(huì)超過°和°，所以用稀釋劑改性低聚物不會(huì)增加界面粘合鍵的數(shù)量。（）系統(tǒng)在固化階段并不出現(xiàn)相分離。隨著二甘醇的增加導(dǎo)致環(huán)氧樹脂的直線下降（見圖）。圖粘接強(qiáng)度與粘接面積的關(guān)系（膠粘劑為（）；固化條件：； ； ）如圖所示，不但膠粘劑的粘接強(qiáng)度，而且曲線的圖形也隨著粘接面積而變化。如果粘接面積?。?；），值變化緩慢；在粘接面積較大

9、（；）時(shí)，粘接強(qiáng)度明顯小于前者，只是在加入量很大時(shí)，者強(qiáng)度才趨于一致。圖環(huán)氧樹脂與含量的關(guān)系可以確信，本例中決定粘接強(qiáng)度變化的主要因素是界面殘余應(yīng)力。如前所述，值與幾近于成正比例，對(duì)環(huán)氧樹脂起增塑作用：隨著的加入降低。我們所有的測(cè)量都是在室溫下進(jìn)行的，隨著加入量的增加而降低，而殘余應(yīng)力也相應(yīng)減少，應(yīng)力分布也更均勻。殘余應(yīng)力的重要作用也可通過圖得到確認(rèn)。圖粘接強(qiáng)度與加入量的關(guān)系 （樣品粘接面積：，；，）值（，）小，殘余應(yīng)力低，對(duì)粘接強(qiáng)度的影響也較小。同時(shí)，曲線形狀幾乎與殘余應(yīng)力無(wú)關(guān)，并不隨的增加而增大。當(dāng)粘接面積較大時(shí)，殘余應(yīng)力所起的作用是主要的。總之的加入，導(dǎo)致殘余應(yīng)力降低，粘接強(qiáng)度也相應(yīng)增加。但是當(dāng)?shù)暮扛哌_(dá)時(shí)，降至接近室溫。當(dāng)含量更高時(shí)，則呈現(xiàn)出橡膠態(tài)。因此，在改性劑含量過高時(shí)粘接強(qiáng)度就會(huì)急劇下降。所以，的加入量既不可太小，也不能過大，才能獲得最優(yōu)的粘接性能，圖曲線出現(xiàn)峰值也證實(shí)了此點(diǎn)。脂肪族樹脂能有效地降低環(huán)氧樹脂的初始黏度。圖說明，在加入后，黏度幾乎降低了個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)環(huán)氧樹脂也有類