环氧树脂性能及工艺特性

一、环氧树脂的粘接特点及基本原理 1、环氧树脂粘接的基本原理： 环氧树脂粘接是由两种力量产生的，一是机械粘附力。即当粘接剂处于液态时，渗入到洁净的被粘接表面的孔隙中，待粘接剂固化后便形成了一种机械结合的锚固力；二是化学粘合力，因为环氧树脂分子结构中含有脂肪族羟基醚基及其中极为活泼的环氧基。 由于羟基和醚基的极性，使得环氧树脂分子和相邻表面之间产生电磁吸力，而且环氧基与含有活泼氢的金属表面起反应而生成化学勾健，既在胶层间产生了分子之间结合。这种结合被称为化学粘合力，一般认为环氧树脂粘合力主要是由于化学粘合力起作用。 2、环氧树脂粘接的特点： 2.1 可粘接各种材料，对金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属之间均有较强的粘合能力。 2.2 有较高的粘接强度及其他的物理性能（表1） 2.3 粘结工艺简单，容易掌握，经济效果好。如有一台100m长裂纹的拖拉机发动机机体，仅用几元钱即可修复，且两天之内既可装车使用。修复一根输油管只需几角钱。 2.4 胶合缝处具有不漏气、不漏油、不漏水和耐化学药品腐蚀等优良特性。 2.5 粘结表面可进行机械加工。 2.6 粘结过程中，不需要对工件进行高温度处理，因此，对零件金相组织无影响。 2.7 收缩性较小，其收缩率为1—2%；如填加适当填料其收缩率可达到0.1-0.2%，环氧树脂的耐温性较好，可在150-200℃温度范围内长期工作，其耐寒性可达-50℃—55℃。 2.8 粘结表面较脆、耐冲性性能较差，粘结固化后无毒。 表1 环氧树脂固化后的物理性能 项 目 数 据 抗拉强度（kg/cm2） 650-850（有的配方可达1200） 抗弯强度 (kg/cm2) 900-1200 抗压强度 (kg/cm2) 1100-1300 抗冲强度(kg•cm/ cm2) 10-20 耐热性(℃ 马丁法) 105-130 击穿电压（千伏/毫米、室温） 35 二、环氧树脂粘结剂的组成及其性能 环氧树脂和固化剂是环氧树脂粘结剂的基本成份，但为了改变粘结层的韧性、抗磨性、耐热性、硬度及工艺性等，可加适量的增塑剂、填料和稀释剂。 1、环氧树脂： 环氧树脂一般是指双酚A型环氧树脂，即由环氧氯丙烷与双酚A在碱的作用下缩合而成的高聚物，它具有一般高分子聚合物的通性。根据不同条件，可以制得不同分子量的环氧树脂，其分子量在300-7000之间。 环氧树脂按分子量的不同，可分为低分子量、中分子量和高分子量三种。低分子量环氧树脂为粘稠状液体，分子量为340-400，其特点是软化点低、环氧值高。国产牌高有6010#、618#、634#等；分子量环氧树脂呈青铜色的脆性固体，分子量为500-1500，其特点是溶点较高。国产牌号有601#、603#等；高分子量环氧树脂为脆性固体，熔化温度达145-155℃，分子量可达3800以上。国产牌号有607#等。在农机修理中，一般均采取低分子量和中分子量环氧树脂混用、高分子量环氧树脂用做粘结剂的较少。 常用环氧树脂牌号及技术指标如表2所示。 表2 环氧树脂牌号及主要技术指标 牌 号 软 化 点（℃） 环 氧 值 性能及用途 618# 液体 0.48以上 环氧基含量高；粘合力强、粘度低、便于操作、适于粘合、浇涛 6010# 14-22 0.4-0.47 分子量低、适于粘合浇铸 634# 20-28 0.32-0.47 同上 637# 64-76（固体） 0．17-0．22 着附力高、是柔韧性很好的涂料 603# 78-85（固体） 0．10-0．18 分子量较高 604# 80-95（固体） 0．04-0．07 同上 607# 110-135（固体） 0．04-0．07 具有良好的抗化学药品及电气性能 2、环氧树脂的固化剂及其性能： 各种牌号的环氧树脂，本身都是线型结构的热塑性高聚物，它必须经过固化剂作用才能变为不溶的坚固体型网状结构的巨大分子高聚物。这种变化过程称为固化或硬化、熟化过程。凡能和环氧树脂的环氧基及羟基作用而使环氧树脂固化的物质叫做固化剂或叫硬化剂。 环氧树脂固化剂的种类很多，目前常用的有十几种。其中包括多元胺类、酸酐类和其它高分子聚合物，如聚酰胺树脂、酚醛树脂和聚硫橡胶等。 2.1 多元胺类固化剂：常用的多元胺类固化剂有已二胺、间苯二胺和多已稀多胺等。 已二胺（EDA） 已二胺又名二烯二胺（或叫二胺基已烷、乙烯二胺），分子量为60.1，含有四个活泼氢，每一个分子已二胺可与四个环氧基起反应，是无色液体，暴露于空气中冒白烟，有刺激性氨味。长期与皮肤接触易中皮炎，吸入人体呼吸道则刺激呼吸道粘膜。因此，操作时，室内要通风良好，要带口罩，尽量做到少与皮肤接触。 已二胺与环氧树脂的反应是属于放热反应，调胶时应使树脂温度控制在40℃以内。已二胺的用量一般为环氧树脂用量的6-8%，如用量过大，在调胶过程中就固化或者说操作未完成胶已半固化了，造成浪费，既使勉强粘合了，固化后的质量也不好，易产生许多松孔状很脆的组织，如用量过小，固化速度慢或反应不完全，强度亦低。 固化条件：在室温（20℃）下，24小时即可完全固化。 在有条件的情况下，最好加温固化，固化速度快，强度高。如120℃保温3小时就可固化，150℃保温2小时就可固化，待零件缓慢降至室温既可使用。 已二胺的不同用量，不同固化时间及不同的固化温度对粘结性能的影响见表4。 间苯二胺（MPDA） 淡黄色结晶，分子量为108.41，熔点为63℃，含有四个活泼氢可与环氧树脂四个分子的四个环氧基起作用。在受潮时色变暗，但对性能并无影响。采用间苯二胺做固化剂时，固化后的树脂热变温度高，粘接后零件可在150℃环境中长期使用。 间苯二胺与环氧树脂混合的方法有两种：一种是将间苯二胺与环氧树脂分别在65℃温度下熔融，然后混合在一起；一种是将环氧树脂加热至80℃，在充分搅拌过程中，将间苯二胺加入溶解，调匀，混合后冷却至室温即可使用，这样可延长操作时间。 用间苯二胺做固化剂时，其用量为环氧树脂重量的14-15%。 间苯二胺是有毒化学药品，使用时注意不要与皮肤接触，严防入口。 固化条件：放入保温箱内，逐渐升至到150℃保温2小时后，缓慢降至室温。 2.2 酸酐类固化剂：它是用酸酐类作环氧树脂的固化剂，均需在较高温度条件下才能固化，固化后的产物耐温性高，可在150-200℃温度条件下长期使用。 邻苯二甲酸酐（PA） 邻苯二甲酸酐简称苯酐、白色粉沫状，分子量为148.11，燃点为128℃，一次调成胶可长期使用。 邻苯二甲酸酐的用量为环氧树脂重量的35-45%，有时也可为60%。 邻苯二甲酸酐与环氧树脂加热至120-130℃，然后加入邻苯二甲酸酐搅匀，降至室温后即可使用。 固化条件：在保温箱内逐渐升温至150℃，保温4小时（180℃保温2小时）后逐渐降至室温。 顺丁稀二酸酐（MA） 顺丁稀二酸酐亦称顺酐，又名失水苹果酸酐，白色结晶，分子量为98.06，熔点为52.8℃。 顺丁稀二酸酐做环氧树脂的固化剂，使用量为环氧树脂重量的30-40%。 顺丁稀二酸酐与环氧树脂的混合方法：先将顺丁稀二酸酐捣碎，然后将环氧树脂加热至60℃，逐渐加入顺丁稀二酸酐，搅匀后冷却至室温即可使用。使用寿命长，在室温下放置几天后仍可进行粘接。 固化条件同邻苯二甲酸酐。 2.3 高分子聚合物 聚酰胺树脂：常用的聚酰胺树脂是琥珀色、低熔点、热塑性树脂。 聚酰胺树脂是目前比较受欢迎的一种低毒性固化剂，一般所谓“双树脂粘合剂”即指环氧树脂与聚酰胺树脂作为粘合结剂而言，适于粘补，操作简单，效果良好。 聚酰胺树脂本身即是固化剂、又是性能优良的增塑（韧）性，只要两种树脂按一定量配合搅匀，就可在室温下操作和固化。 聚酰胺树脂用量范围较大，一般用量为环氧树脂的100%较为合适；在室温低于20℃时，粘度较大，使用时应适当加温，使粘度降低后再取用。 常用聚酰胺牌号有200#、300#、400#、600#等。 固化条件：室温2-3天或150℃保温2小时后，缓慢冷却至室温即完全固化。 酚醛树脂：酚醛树脂可直接与环氧树脂混合作为粘结剂，粘结强度高，耐温性能好，但在粘结时，必须对粘结面进行加温加压处理，方能获得比较理想的效果，如同时加入胺类固化剂（如已二胺），可缩短固化时间。 酚醛树脂的用量为环氧树脂用量的30-40%。 固化条件：将粘结件放在烘箱内，逐渐升温至150℃，保温2小时即可完全固化。 农机修理中，最常用的是乙二胺、间苯二胺、邻苯二甲酸酐、多乙稀多胺和聚酰胺树脂。 表3 不同固化剂固化后产物性能 项 目 间 苯 二 胺 苯 酐 聚酰胺树脂 抗拉强度（kg/cm2） 560 805-875 315-490 抗弯强度（kg/cm2） 1190 1260-1330 490-672 抗压强度（kg/cm2） 2590 1050-1120 490-840 抗冲强度（kg/cm2） 0.207 0.70 0.2-0.3 硬度（洛氏）M 108 100 - 热变形温度（℃） 150 109 - 表4 常用环氧树脂固化剂一览表 类 别 固化剂名称 用 量（%） 性 能 固化条件 用 途 多 元 胺 类 乙二胺 6-8 液体、挥发性大，与环氧树脂反应时放热、室温固化、固化速度快、可使用时间短、耐热性较差 室温（20℃）24小时；120℃保温3小时；150℃保温2小时均可。 粘结多种材质零件，如气缸体、铁质、铝质、壳体以及油箱、油管等。

间苯二胺 14-15 淡黄色结晶、固体、长期放置后色变暗，熔点63℃，粘结强度较高，耐热性好。 150℃保温2小时后逐渐降至室温。 气缸体及铁质、铝质壳体件的粘补。

酸 酐 类 多乙稀多胺 10-15 - 室温8小时或150℃保温2小时均可 气缸体及铁质、铝质壳体件的粘补 邻苯二甲酸酐 35-45 白色固体、熔点128℃、粘结 150℃保温4小时或180℃保温 适于粘结或喷涂。