研究不同固化劑對(duì)鑄工膠力學(xué)性能的影響

陳煜陽(yáng)，陳炳耀，歐佳麗，全文高，楊育其

(廣東三和控股有限公司，廣東 中山 528429)

鑄工膠的本質(zhì)是一種雙組分的室溫固化環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑，其主體主要有環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑2大部分組成，在此基礎(chǔ)上添加優(yōu)質(zhì)填料以及助劑配制而成，具有優(yōu)良的耐熱、耐蝕性和較小的收縮性等特點(diǎn)[1-2]。主要用于鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁等鑄件的氣孔、砂眼、麻坑、包括精加工時(shí)發(fā)現(xiàn)的缺陷[3]；同時(shí)，不會(huì)影響鑄件的各項(xiàng)性能指標(biāo)和強(qiáng)度。而傳統(tǒng)的方式是用純鎳焊條或鑄鐵焊條焊補(bǔ)，這種修補(bǔ)方式不僅成本高，需要的勞動(dòng)強(qiáng)度也大[4-5]。因此，環(huán)氧固化劑在其中起著不可或缺的作用，其與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)生成三向立體結(jié)構(gòu)才具有實(shí)用價(jià)值[6]；固化劑的結(jié)構(gòu)類型與品質(zhì)也將直接影響環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)用效果。針對(duì)不同的性能需求，也可通過(guò)開(kāi)發(fā)或改變固化劑的類型獲得，這相當(dāng)于開(kāi)發(fā)或改變了一種新的環(huán)氧樹(shù)脂[7-8]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鑄工膠的應(yīng)用逐漸普及，這一難題也將迎刃而解[9-10]。本文著重探究采用不同的固化劑以及改變固化劑的添加量配制鑄工膠，通過(guò)各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)，表明固化劑對(duì)鑄工膠的力學(xué)性能有影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

環(huán)氧樹(shù)脂128E型，山東旭昇新材料科技有限公司；電子級(jí)硅微粉，河北捷貴礦產(chǎn)品有限公司；KH-570型號(hào)硅烷偶聯(lián)劑,廣東省山友塑料有限公司；低分子量聚酰胺650#，河南馳奧商貿(mào)有限公司；T-31型環(huán)氧固化劑，武漢吉業(yè)升化工有限公司；T-31E型環(huán)氧固化劑，廣州市業(yè)增化工有限公司；T31-B4型環(huán)氧固化劑，廣州市業(yè)增化工有限公司；氣相法白炭黑，拓億新材料(廣州)有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

GZ型強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)，常州市億能實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)力廠；FDL-362型指針擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，高翔機(jī)械設(shè)備實(shí)力工廠；YF-900型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，武漢國(guó)量?jī)x器有限公司；LX-D型邵氏硬度計(jì)，揚(yáng)州市源峰試驗(yàn)機(jī)械廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1配制A組分

依次將128E環(huán)氧樹(shù)脂、填料、促進(jìn)劑等加入到300 mL空白瓶中；然后，在室溫條件下，用電動(dòng)攪拌機(jī)持續(xù)攪拌3 h。隨后依次加入補(bǔ)強(qiáng)劑和催化劑，室溫持續(xù)攪拌1 h，待攪拌完成后完成A組分的制備。

1.3.2配制B組分

依次將固化劑、650#低分子聚酰胺、填料等加入到300 mL空白瓶中；然后，在室溫條件下，用電動(dòng)攪拌機(jī)持續(xù)攪拌2.5 h。隨后依次加入偶聯(lián)劑、催化劑和補(bǔ)強(qiáng)劑，室溫持續(xù)攪拌1 h，待攪拌完成后完成B組分的制備[11-13]。

在用不同的固化劑制備試樣，同時(shí)改變環(huán)氧固化劑的添加量，這3類固化劑的添加量分別為10%、15%、20%、25%、30%。對(duì)使用不同種類固化劑以及不同添加量制得的膠粘劑進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試、分析。

1.4 性能測(cè)試

剪切強(qiáng)度：根據(jù)GB/T 7124—2008的測(cè)試方法；

沖擊強(qiáng)度：根據(jù)GB/T 6328—1999的測(cè)試方法；

邵氏硬度：根據(jù)GB/T 53101—2008硬度計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 T-31型環(huán)氧固化劑對(duì)鑄工膠力學(xué)性能的影響

使用環(huán)氧固化劑T-31配制完成鑄工膠后，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)的結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)氧固化劑T-31不同添加量的檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of different dosage of T-31 epoxy curing agent

由表1可知，隨著環(huán)氧固化劑T-31質(zhì)量分?jǐn)?shù)的遞增，配制出的鑄工膠對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后削弱的趨勢(shì)。在T-31環(huán)氧固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，鑄工膠的剪切強(qiáng)度和邵氏硬度都達(dá)到了最大值，其數(shù)值分別為17.532 MPa和85.9 HD；在T-31固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到了最大值，其數(shù)值為2.44 MJ/m2。這說(shuō)明T-31固化劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%時(shí)與樹(shù)脂以及交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑的反應(yīng)較為充分。環(huán)氧固化劑作為鑄工膠的核心成分，其用量大小勢(shì)必會(huì)影響到鑄工膠的性能指標(biāo)[14]。

2.2 T-31E型環(huán)氧固化劑對(duì)鑄工膠力學(xué)性能的影響

使用環(huán)氧固化劑T-31E配制完成鑄工膠后，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)的結(jié)果如表2所示。

表2 環(huán)氧固化劑T-31E不同添加量的檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of different dosage of T-31E epoxy curing agent

由表2可知，隨著T-31E環(huán)氧固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的遞增，鑄工膠的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都相應(yīng)的增強(qiáng)；當(dāng)T-31E環(huán)氧固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)同時(shí)達(dá)到了最大值，即最大剪切強(qiáng)度為16.855 MPa、最大沖擊強(qiáng)度為1.94 MJ/m2、最大硬度為80.5 HD。

2.3 T31-B4型環(huán)氧固化劑對(duì)鑄工膠力學(xué)性能的影響

使用環(huán)氧固化劑T-31E配制完成鑄工膠后，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)的結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)氧固化劑T31-B4不同添加量的檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Test results of different dosage of T31-B4 epoxy curing agent

由表3可知，隨著環(huán)氧固化劑T31-B4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其檢測(cè)結(jié)果與表1、表2所呈現(xiàn)出的規(guī)律相似，這也表明環(huán)氧固化劑對(duì)鑄工膠的影響作用。使用環(huán)氧固化劑T31-B4制備的鑄工膠，剪切強(qiáng)度和硬度的提升或降低的幅度都較為平緩，這也反映出這種固化劑的穩(wěn)定性更好。

2.4 不同環(huán)氧樹(shù)脂添加量對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

對(duì)表1～表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到剪切強(qiáng)度對(duì)比圖，具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 剪切強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.1 The comparison of shear strength

從圖1可以看出，鑄工膠的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出一種先升高后降低的趨勢(shì)。隨著環(huán)氧固化劑用量的增加，T-31型固化劑和T-31E型固化劑都在其用量占比達(dá)到20%時(shí)，相對(duì)應(yīng)的鑄工膠剪切強(qiáng)度都達(dá)到了最大值，分別為17.532、16.855 MPa；而T31-B4型固化劑對(duì)于鑄工膠剪切強(qiáng)度提升的上限更高，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值18.221 MPa。因此，對(duì)比剪切強(qiáng)度而言，T31-B4型固化劑是更好的選擇。從實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的T31-B4型固化劑對(duì)比質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的T-31型固化劑強(qiáng)度相差不大；而更多用量的一方成本會(huì)更大，并且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為20%時(shí)，T-31型固化劑所展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)更加明顯，這也與環(huán)氧固化劑本身的性質(zhì)有不可或缺有關(guān)[15-17]。

從企業(yè)大量生產(chǎn)鑄工膠的角度出發(fā)，可適當(dāng)降低固化劑的成本，同時(shí)獲得較好的剪切強(qiáng)度，故應(yīng)選擇T-31型環(huán)氧固化劑作為主要固化劑。

2.5 不同環(huán)氧樹(shù)脂添加量對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響

對(duì)表1～表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到?jīng)_擊強(qiáng)度對(duì)比圖，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 沖擊強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.2 The comparison of impact strength

從圖2可以看出，對(duì)于使用不同類型的固化劑，其對(duì)應(yīng)的膠粘劑呈現(xiàn)出的規(guī)律與圖1剪切強(qiáng)度對(duì)比圖類似，鑄工膠的沖擊強(qiáng)度都是先上升到一定程度之后開(kāi)始下降，T-31E型固化劑和T31-B4型固化劑均在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，達(dá)到了最大值，分別為1.94、2.01 MJ/m2；但它們的沖擊強(qiáng)度都低于相同節(jié)點(diǎn)上的T-31型固化劑，并且使用T-31型固化劑的鑄工膠在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%之后還有上升的空間。因此，就沖擊強(qiáng)度而言，T-31型環(huán)氧固化劑更符合實(shí)際的需求。

2.6 不同環(huán)氧樹(shù)脂添加量對(duì)邵氏硬度的影響

對(duì)表1～表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到圖3邵氏硬度對(duì)比圖，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 邵氏硬度對(duì)比圖Fig.3 The comparison of shore hardness

從圖3可以看出，對(duì)比3種固化劑對(duì)硬度影響所呈現(xiàn)出的折線圖，環(huán)氧固化劑對(duì)鑄工膠的硬度強(qiáng)度同樣有明顯的作用，并且3種類型的環(huán)氧固化劑都在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，使得鑄工膠的硬度達(dá)到了最大值；因此，可以初步判定這個(gè)添加量是對(duì)鑄工膠硬度提升最大的。而T-31型固化劑劣勢(shì)在于少量添加時(shí)作用會(huì)稍遜一籌，優(yōu)勢(shì)在于后續(xù)提升幅度較大，達(dá)到最大值之后下降的幅度較為平緩。

考慮到綜合力學(xué)性能指標(biāo)，環(huán)氧固化劑更偏向選擇T-31型為宜。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究環(huán)氧固化劑對(duì)鑄工膠力學(xué)性能的影響程度，使用不同固化劑，相同的測(cè)試方法，通過(guò)使用控制變量法進(jìn)行分析，驗(yàn)證環(huán)氧固化劑對(duì)環(huán)氧鑄工膠的影響。綜合以上數(shù)據(jù)分析，在測(cè)試的3個(gè)環(huán)氧固化劑中，選擇T-31型環(huán)氧固化劑作為生產(chǎn)鑄工膠主要原材料之一，可以得到較好的力學(xué)性能，在其用量占比20%時(shí)力學(xué)性能指標(biāo)可以獲得很好的效果，并且對(duì)于這個(gè)使用率從生產(chǎn)工藝考慮也不難實(shí)現(xiàn)，從節(jié)約成本的角度出發(fā)也符合以及滿足實(shí)際生產(chǎn)和使用需求。